专利名称：一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置。
背景技术：
头盔显示器经过30多年的发展，尤其是近几年来，技术获得了巨大的进步，头盔 式显示器最早应用于虚拟现实中，利用头盔显示器将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用 户产生一种身在虚拟环境中的感觉。头盔显示器在目前虚拟现实、视觉训练、医学、航空、娱 乐等场合具有广泛的应用，具有巨大的应用市场。头盔显示器根据其应用可分为浸入式和 穿透式，浸入式是阻隔头盔外部信号只显示头盔产生的内部信号，穿透式正好相反，是将内 部信号和头盔外部场景进行叠加显示，穿透式头盔显示可以实现内部虚拟信号和外部实景 信息的叠加，使用者即可以看到内部产生的各种信息，同是也可以看到外部场景，因而在虚 拟现实等具有更大的应用，例如头盔显示器可方便的安装在如飞行头盔、战斗头盔、隔热头 盔、消防面具、防化面具、安全帽等头部装置上，实现飞行、消防、救生等特殊场合的应用。头盔显示器一般由以下几部分组成图像信息显示源、图像成像的光学系统、定位 传感系统、电路控制及联接系统、头盔及配重装置。而其中头盔显示光学系统的设计是整个 系统设计的核心技术之一，直接关系着头盔显示器的整体性能。为此，研制开发一种光学性 能良好、结构合理、实用性强的头盔显示光学系统是影响头盔显示器性能的重要环节之一。头盔显示器系统根据视场大小可以分为小视场、中视场和大视场，大视场显示可 以拓宽观察范围、提高显示信息容量，同时通过真实物体和虚拟物体的增强形成深度感知、 实现具有沉浸感，大视场头盔显示能够满足虚拟现实沉浸性和交互性的需要。为实现大视 场显示，头盔显示根据结构形式分类主要有两种形式目镜结构和投影结构。其中目镜结构 形式属于NonPupil形式，即图像生成器件没有共轭像，眼睛出瞳作为头盔系统的出瞳。投 影结构属于Pupilforming形式，即光学系统中有瞳面与眼睛出瞳共轭，采用目镜结构形式 虽然具有结构简单、能实现彩色显示等优点，但也有大视场条件下像差校正困难的缺点，而 投影形式具有成像清晰度高的特点，但同时也有受限于折返屏幕的类型和位置的缺点。利用头盔护目镜作为穿透式头盔显示光学系统准直组合元件，这一设计思路目前 已成为头盔显示光学系统设计的一种趋势，尤其是在宽视场系统中。因此，可以利用头盔护 目镜作为头盔显示光学系统准直组合玻璃元件的设计结构，实现图像的直接投射，完成对 光学系统结构的改进。尤其是近几年来，随着光学技术和加工技术的不断发展，反射式非球 面离轴系统在头盔系统中的应用被逐渐应用，非球面(Aspheric surface)和全息光学元件 相比较，非球面具有效率高，杂散光小，成像质量好等优点，非球面能够更好的校正像差，从 而达到减少光学元件片数和降低重量的要求，同时，头盔护目镜的作用已不光是起防护作 用，更重要的是它已成为头盔显示光学系统的一部分，其光学特性就显得十分突出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置。基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置包括微显示成像器件、自由曲面护目 镜、头盔盔体、中继透镜组，头盔盔体的正前方设有自由曲面护目镜，头盔盔体的正前方、自 由曲面护目镜上部两侧分别设有微显示成像器件和中继透镜组，两中继透镜组倾斜角度42 度排布，中继透镜组包括第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜、第四中继透镜、第五 中继透镜、第六中继透镜，第一中继透镜与第二中继透镜、第三中继透镜、第四中继透镜、第 五中继透镜、第六中继透镜依次放置。所述的自由曲面护目镜采用离轴工作方式的轮胎面形自由曲面，具有33度的离 轴角，自由曲面护目镜的反射面焦距为正，焦距分配满足以下条件1. 5 <F8/F< 1.8，F8 为自由曲面护目镜的焦距，F为中继透镜组的焦距；所述的第一中继透镜为双凸透镜，第二中继透镜为弯月透镜、第三中继透镜为弯 月透镜、第四中继透镜为双凸透镜、第五中继透镜为弯月透镜、第六中继透镜为弯月透镜， 第六中继透镜的焦距满足5. 0 < F7/F < 5. 5 ；其中，F7为第六中继透镜的焦距，F为中继 透镜组的焦距，第四中继透镜焦距为正，焦距满足1. 6 < F5/F < 2. 0，其中，F5为第四中继 透镜的焦距，F为中继透镜组的焦距。所述的微显示成像器件倾斜4 6度放置。所述的中继透镜组和自由曲面护目镜合成焦距25 30mm。所述的微显示成像器件、自由曲面护目镜、中继透镜组组成的光学结构具有12 15mm出瞳和40 50度的视场角，其相对孔径为2. 0 2. 2。本发明与现有技术相比具有的有益效果是1)采用轮胎面形的自由曲面参与成 像；可以保证短焦距大相对孔径大视场角成像，能更好地校正像差，结构简单2)具有33度 的大离轴角，适合在人体头部排布，符合人机功效特性；3)采用中继透镜倾斜、偏心结构， 明显提高成像质量。4)采用短焦距大视场角设计，焦距25 30mm，具有15mm出瞳和40度 的视场角，5)采用大相对孔径设计，相对孔径为2. 0 2. 2，提高像平面上的光照度；
图1是基于自由曲面护目镜的大离轴角头盔显示装置结构示意图；图2为本发明的侧面结构示意图；图3为本发明的光学系统排布图；图4为本发明头盔显示光学结构的调制传递函数；图5为本发明在各个视场的点列图；图6为本发明在各个视场的瞳面像差图；图中，微显示成像器件S1、第一中继透镜S2、第二中继透镜S3、第三中继透镜S4、 第四中继透镜S5、第五中继透镜S6、第六中继透镜S7、自由曲面护目镜S8、人眼S9、头盔盔 体S10、中继透镜组S21。
具体实施例方式如图1所示，基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置包括微显示成像器件 Si、自由曲面护目镜S8、头盔盔体S10、中继透镜组S21，头盔盔体SlO的正前方设有自由曲面护目镜S8，头盔盔体SlO的正前方、自由曲面护目镜S8上部两侧分别设有微显示成像器 件Sl和中继透镜组S21，两中继透镜组S21倾斜角度42度排布，中继透镜组S21包括第一 中继透镜S2、第二中继透镜S3、第三中继透镜S4、第四中继透镜S5、第五中继透镜S6、第六 中继透镜S7，第一中继透镜S2与第二中继透镜S3、第三中继透镜S4、第四中继透镜S5、第 五中继透镜S6、第六中继透镜S7依次放置。所述的自由曲面护目镜S8采用离轴工作方式的轮胎面形自由曲面，具有33度 的离轴角，自由曲面护目镜S8的反射面焦距为正，焦距分配满足以下条件1. 5 < F8/F
<1. 8，F8为自由曲面护目镜S8的焦距，F为中继透镜组S21的焦距；所述的第一中继透镜S2为双凸透镜，第二中继透镜S3为弯月透镜、第三中继透镜 S4为弯月透镜、第四中继透镜S5为双凸透镜、第五中继透镜S6为弯月透镜、第六中继透镜 S7为弯月透镜，第六中继透镜S7的焦距满足5. 0 < F7/F < 5. 5 ；其中，F7为第六中继透镜 S7的焦距，F为中继透镜组S21的焦距，第四中继透镜S5焦距为正，焦距满足1. 6 < F5/F
<2. 0，其中，F5为第四中继透镜S5的焦距，F为中继透镜组S21的焦距。所述的微显示成像器件Sl倾斜4 6度放置。所述的中继透镜组S21和自由曲面护目镜S8合成焦距25 30mm。所述的微显示成像器件Si、自由曲面护目镜S8、中继透镜组S21组成的光学结构 具有12 15mm出瞳和40 50度的视场角，其相对孔径为2. 0 2. 2。图2为本发明的侧面结构示意图，头盔盔体可以是摩托车头盔、消防头盔或者是 飞行头盔，该装置的护目镜成单一的完整面型，布局适合在人体头部排布，符合人机功效特 性，通过此方式构建的双目头盔可以用在消防、航空和虚拟现实等场合。图3为微显示成像器件Si、自由曲面护目镜S8、中继透镜组S21组成的光学结构 示意图，它依次具有微显示成像器件Si、中继透镜S2、中继透镜S3、中继透镜S4、中继透镜
55、中继透镜S6、中继透镜S7和自由曲面护目镜S8；光学采用折反结构形式，微显示成像 器件Sl产生的虚拟图像经中继透镜S2、中继透镜S3、中继透镜S4、中继透镜S5、中继透镜
56、中继透镜S7透射后，由护目镜反射进入人眼S9，护目镜S8采用轮胎面形的自由曲面反 射镜，且为离轴工作方式，提供33度的大离轴角，方便在头部排布，中继透镜S2、中继透镜 S3、中继透镜S4、中继透镜S5、中继透镜S6、中继透镜S7分别采用双凸-弯月-弯月-双 凸-弯月-弯月的结构形式，其中中继透镜S3、中继透镜S4和中继透镜S6弯向微显示器件 方向，中继透镜S7背向微显示器件方向，中继透镜全部采用偶次对称非球面透镜，且为偏 心倾斜的离轴工作方式，校正护目镜大离轴角带来的部分离轴像差，同时中继透镜全部采 用光学塑料，减轻透镜重量，方便在头部安装。护目镜分别采用轮胎面形的多项式自由曲面 反射面，轮胎面形的多项式自由曲面具有更多的自由度，可以最大地降低像差，从而提高清 晰度。轮胎面形的多项式自由曲面的结构形式可以由以下多项式进行描述，如式(1)、 (2)表示^v =——,= +Ax4 +Bx6 +Cxs + Dxm(1)
-1 +Vl-(! + ^K2X2式(1)中，Zx为χ方向的Sag量，χ为χ轴坐标，kx :x方向圆锥系数，cx :x方向基 本球面的曲率，A、B、C、D为多项式系数，式(1)表明自由曲面在χ方向的变化量是χ的偶次多项式；轮胎形自由曲面在χ方向的面形沿着y方向的面形展开，y方向面形满足以下公 式乙,=-；----(2其中，Zy为y方向的Sag量，y为y轴坐标，ky :y方向圆锥系数，cy :y方向基本球 面的曲率.由式(1)、⑵可以看出，同传统的旋转对称形式的偶次非球面相比较，轮胎形自 由曲面为非对称形式，x、y方向面形完全不同，因而具有更多的设计自由度，同时，在护目镜 头盔系统中，由于倾斜护目镜，会形成χ-ζ面和y-ζ面的不对称，利用轮胎面形自由曲面可 以更好的校正这种不对称系统带来的球差、慧差、畸变等各种像差，获得更好的成像质量。图3中，利用轮胎面形的S8内壁表面反射，在内壁表面镀有半透半反的光学薄膜， 这样由显示芯片和中继光学系统过来的图像由Dl方向可以有内壁表面反射，同时外界的 信息经D2方向也可以穿透护目镜，在人眼出进行相互叠加。对于由微显示芯片和中继光 学系统的信息，护目镜主要起到凹面镜作用，焦距为正值，主要用于缩小中继光学系统的口 径，减小光学系统的大小和重量，同时产生大的离轴角，可以方便在头部安装，凹面镜采用 凹向人眼方向，倾斜33度放置，这样视场角大的轴外光线经护目镜S8反射会聚后，相对于 后反射镜来说视场角变小，从而达到扩大视场角的目的，护目镜S8的焦距满足以下条件1. 5 < F8/F <1.8(3)其中，F8为护目镜反射面S8的焦距，F为系统的整体焦距。式(3)为反射面S8的焦距分配条件，式(3)同时也为结构像差平衡必须满足的条 件，当F8/F < 1. 5时，整体结构就很难校正在大相对孔径大视场角条件下所引起的像差，当 F8/F > 1. 8时，就会加大后继光学系统的口径，使整个系统的大小和重量不能满足人机功 效。同时，反射面S8还充当微调整功能，通过反射面S8的移动，以保证成像过程像面位置 保持不变。中继透镜S6、中继透镜S7主要用于校正反射面S8带来的剩余离轴慧差，中继透镜 S7为非球面凸透镜，呈弯月形，弯向护目镜方向，焦距分配为正，中继透镜S7的焦距分配满 足5. 0 < F7/F < 5. 5(4)其中，F7为后中继透镜S7的焦距，F为系统的整体焦距。式(4)为中继透镜S7的焦距分配条件，式(4)为结构像差平衡必须满足的条件， 当F7/F < 5. 0时，整体结构就很难校正在大相对孔径条件下变焦所引起的慧差，当F7/F > 5. 5时，就会缩短系统的后工作距离，造成系统后截距不足以满足条件。中继透镜S5为非球面双凸透镜，主要用于校正离轴产生的像散和慧差，焦距分配 为正，中继透镜S5的焦距分配满足1. 6 < F5/F < 2. 0(5)中继透镜S4和中继透镜S3也同为为非球面透镜，采用高低折射率和不同色散玻 璃搭配，同时采取一定的倾斜角度，主要用于校正残余的球差和色差；中继透镜S2为双凸透镜，主要用于校正畸变；中继透镜S2的焦距分配满足
1. 3 < F2/F < 1. 5(6)整体光学系统利用微显示面倾斜4度放置，利用偏心倾斜校正不对称像差，整体 系统相对孔径为2. 0 2. 2，焦距25 30mm，具有12 15mm出瞳和40 50度的视场角， 能够保证由显示器件发出的光线尽可能地进入人眼，从而保证观看的亮度和亮度均勻性。表1为穿透式头盔显示光学系统的详细参数表1:结构详细参数 表1的位置是以眼盒的中心为坐标原点，水平朝向护目镜方向为X方向。以下为轮胎面形自由曲面的各项系数Cx = -1/76. 76Cy = -100kx = ky = 0A = -2. 91e-008B=L 55e-010C = -1. 46e-013D = 5. 465e-017上述各项参数定义见式(1)、式(2)；图4为本发明头盔显示光学系统的调制传递函数；在像面可以达到35线对35% 以上，而且子午与弧矢分离小，中心的调制传递函数高，因而设计容差大，易于保证加工。图 5为本发明在各个视场的点列图，图中左方数字分别为视场大小及在像面的位置；图6为本
7发明在各个视场的瞳面像差图，各图中左图为子物面的瞳面像差，右图为弧矢面的瞳面像差。
权利要求
一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，其特征在于包括微显示成像器件(S1)、自由曲面护目镜(S8)、头盔盔体(S10)、中继透镜组(S21)，头盔盔体(S10)的正前方设有自由曲面护目镜(S8)，头盔盔体(S10)的正前方、自由曲面护目镜(S8)上部两侧分别设有微显示成像器件(S1)和中继透镜组(S21)，两中继透镜组(S21)倾斜角度42度排布，中继透镜组(S21)包括第一中继透镜(S2)、第二中继透镜(S3)、第三中继透镜(S4)、第四中继透镜(S5)、第五中继透镜(S6)、第六中继透镜(S7)，第一中继透镜(S2)与第二中继透镜(S3)、第三中继透镜(S4)、第四中继透镜(S5)、第五中继透镜(S6)、第六中继透镜(S7)依次放置。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，其特征在 于所述的自由曲面护目镜(S8)采用离轴工作方式的轮胎面形自由曲面，具有33度的离轴 角，自由曲面护目镜(S8)的反射面焦距为正，焦距分配满足以下条件1. 5 < F8/F < 1. 8， F8为自由曲面护目镜(S8)的焦距，F为中继透镜组(S21)的焦距；
3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，其特征在 于所述的第一中继透镜(S2)为双凸透镜，第二中继透镜(S3)为弯月透镜、第三中继透镜(54)为弯月透镜、第四中继透镜(S5)为双凸透镜、第五中继透镜(S6)为弯月透镜、第六中 继透镜(S7)为弯月透镜，第六中继透镜(S7)的焦距满足5. 0 < F7/F < 5. 5 ；其中，F7为 第六中继透镜(S7)的焦距，F为中继透镜组(S21)的焦距，第四中继透镜(S5)焦距为正，焦 距满足1.6< 5汗<2.0，其中，？5为第四中继透镜(S5)的焦距，F为中继透镜组(S21) 的焦距。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，其特征在 于所述的微显示成像器件(Si)倾斜4 6度放置。
5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，其特征在 于所述的中继透镜组(S21)和自由曲面护目镜(S8)合成焦距25 30mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置，其特征在 于所述的微显示成像器件(Si)、自由曲面护目镜(S8)、中继透镜组(S21)组成的光学结构 具有12 15mm出瞳和40 50度的视场角，其相对孔径为2. 0 2. 2。
全文摘要
本发明公开了一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置。在头盔盔体的正前方设有自由曲面护目镜，头盔盔体的正前方、自由曲面护目镜上部两侧分别设有微显示成像器件和中继透镜组，两中继透镜组倾斜角度42度排布，中继透镜组包括第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜、第四中继透镜、第五中继透镜、第六中继透镜，第一中继透镜与第二中继透镜、第三中继透镜、第四中继透镜、第五中继透镜、第六中继透镜依次放置。本发明采用轮胎面形的自由曲面参与成像，可以实现33度的大离轴角，能更好地校正像差，明显提高成像质量，结构简单；适合在人体头部排布，符合人机功效特性；采用短焦距大视场角设计，具有12～15mm出瞳和40～50度的视场角。
文档编号A42B3/22GK101915992SQ20101023548
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者刘旭, 张梅骄, 徐良, 李海峰, 艾曼灵, 郑臻荣, 顾培夫 申请人:浙江大学;杭州科汀光学技术有限公司