专利名称：投影式头盔光学系统及其投影物镜、应用该系统的头盔显示装置的制作方法
技术领域：
本发明设计光学技术领域，具体设计一种投影式头盔光学系统的投影物镜，本发 明还涉及一种投影式头盔光学系统及应用该系统的头盔显示装置。
背景技术：
投影式头盔显示器(HeadMounted Progective Displays, HMPDs)是一种新型头 盔显示器，能够在虚假现实及增强现实环境下给出真实物体和虚拟物体的正确“闭塞”，把 信息限制在特定空间，实现多用户环境下互补干扰等效果。与以目镜为基础的头盔显示器 相比，该系统可获得小的体积和质量，大的视场以及小的光学畸变。图1为现有的一种投影式头盔显示器的光学系统的示意图。请参考图1，投影式头盔显示器的光学系统包括微显示器2、投影物镜3、分光镜5、 以及逆反射屏4。微显示器2和分光镜5分设于投影物镜3的光轴上，并位于投影物镜3两 侧，分光镜5的分光面与所述投影物镜3的光轴成45°角设置。逆反射屏4设置于与投影 物镜3的光轴垂直的轴上，分光镜5的分光面也同时与该轴呈45°角。工作时，微显示器2上的图像经过投影物镜3后成像，所成的像经分光镜5的转像 作用，该像被投射在投影像1的位置。而由于逆反射屏4的反射，成像的光线又被反射回分 光镜5，并透过分光镜5到达出瞳6处。在出瞳6处观察即可看到微显示器显示的图像了。图2为上述的投影式头盔显示器的光学系统的一种投影物镜的示意图。如图2所 示，所述投影物镜由物面至像面方向依次包括第一正透镜3-1、第二正透镜3-2、第一负透 镜3-3，第二负透镜3-8、第四正透镜3-6和第五正透镜3-7。其中，上述所有透镜的光轴同 轴。所述第一正透镜3-1和第二正透镜3-2为弯月形，凸起面朝向物面，所述第一负透镜3-3 也为弯月形，凸起面朝向物面。所述第一负透镜3-3和第二正透镜3-2之间具有空气间隙。 所述第二负透镜3-8为双胶合透镜，其凸起面朝向像面一侧，包括一负透镜3-4和一正透镜 3-5。所述第四正透镜3-6为弯月形透镜，其凸起面也朝向像面一侧。所述第五正透镜3-7 为双凸透镜。上述的投影物镜为单纯的折射投影系统，而且包含多片透镜，使得整个投影物镜 的体积较大，结构复杂，有必要对其进一步的改进。
发明内容
本发明提供一种应用于投影式头盔光学系统的投影物镜，本发明的投影物镜结构 较为简单，体积较小。本发明还提供一种投影式头盔光学系统及应用该系统的头盔显示装置。本发明提供的一种用于投影式头盔光学系统的投影物镜，包括依次设置的、同光 轴的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜和第四折射透镜；所述四个折射透镜之间 具有间隙；
在所述第二正透镜和第三正透镜之间还设置有衍射元件。可选的，所述四个折射透镜均为弯月形正透镜；且所述第一折射透镜和第二折射透镜的凹形面朝向相同，所述第三折射透镜和第 四折射透镜的凹形面朝向相同，且所述第一折射透镜、第二折射透镜的凹形面与第三折射 透镜、第四折射透镜的凹形面相对设置。可选的，所述折射透镜之间的间隙为空气或其介质。优选的，所述衍射元件为单层衍射元件或双层衍射元件，优选的，所述衍射元件为双层衍射元件；所述双层衍射元件包括一侧设置有周期性凸凹微雕结构的第一透射元件和第二 透射元件；两透射元件的凸凹微雕结构具有相同的凸凹周期；所述第一透射元件和第二透射元件设置有凸凹微雕结构一侧相对设置，且两微雕 结构的凸起与凸起相对，凹陷与凹陷相对。可选的，所述第一透射元件和第二透射元件的与凸凹微雕结构相对的一侧面为平 面、球面或者非球面弧形面。可选的，第一透射元件的凹陷深度凡=-2氣隨丨)]—‘隨』}-
^02 Vn\ (Λ)2 )]众01 η2 (Λ)Ι )1 —众01JArvOl弟一透射兀件的凹陷深度"2 - , r Λ r ΛΛι \ ^ ΛΜ χ ^
Kl [η\ (义02 η2 (Λη )] 一 kOI Υη\ (Λ)1 )] 02 (Λ)2 )J其中，Ii1 ( λ J和ηι ( λ 02)所述第一透射元件在设计波长分别为λ μ和λ 02时的 折射率；η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元件在设计波长分别为λ Μ和λ 02时的折射率； k01和k02为波数。可选的，所述第一透射元件和第二透射元件的材质分别为TOD1和FD6。可选的，在设计两波长分别为400nm和700nm时，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。可选的，所述第一透射元件和第二透射元件的材质分别为SF6和Sk52，或者分别 为 Ge 禾口 ZnSe0本发明还提供一种投影式头盔光学系统，包括上述任一技术方案所述的投影物
^Mi ο本发明还提供一种投影式头盔显示装置，包括所述的投影式头盔光学系统。与现有技术相比，本发明的投影物镜，相对于现有的投影物镜，光学元件的数目减 少，结构简单，有利于使得整投影物镜整体体积减小，重量减轻。优选的，本发明的投影物镜的衍射元件为双衍射元件，使得包含该双层衍射元件 的光学系统可应用于可见光范围的头盔显示器中，实现在可见光范围内观察时，具有较高 的衍射效率；从而可有效提高像面的对比度以及真实性；能够满足头盔式显示装置在虚拟 显示和可视化训练中的使用要求。
图1为现有的一种投影式头盔显示器的光学系统的示意图；图2为图1所示的投影式头盔显示器的光学系统的一种投影物镜的示意图3为本发明的用于投影式头盔光学系统的投影物镜的实施例的示意图；图4为应用于图3所示的实施例中的双层衍射元件的示意图。
具体实施例方式在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以 很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况 下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。下面结合附图对本发明的用于投影式头盔光学系统的投影物镜进行详细描述。图3为本发明的用于投影式头盔光学系统的投影物镜的实施例的示意图。请参考图3，本发明的实施例的投影物镜包括5个光学组件，由物至像的方向依次 为第一折射透镜7-1、第二折射透镜7-2、衍射元件7-5、第三折射透镜7-3和第四折射透镜 7-4。所述四个折射透镜同光轴设置。双层衍射元件7-5设置于所述的光轴之上。在上述 的五个光学组件之间设置有一定的间隙，该间隙可以是空气间隙，也可以填充介质。所述的第一折射透镜7-1、第二折射透镜7-2、第三折射透镜7-3和第四折射透镜 7-4均为弯月形正透镜。请继续参考图3，所述第一折射透镜7-1具有相对的凸形面7-la 和凹形面7-lb，所述第二折射透镜7-2具有相对的凸形面7-2a和凹形面7_2b ；所述第三折 射透镜7-3具有相对的凸形面7-3a和凹形面7-3b ；所述第四折射透镜7_4具有相对的凸 形面7-4a和凹形面7-4b。所述第一折射透镜7-1的凹形面7-lb和第二折射透镜7-2的凹形面7_2b朝向相 同；所述第三折射透镜7-3的凹形面7-3b和第四折射透镜7-4的凹形面7-4b朝向相同，且 所述第一折射透镜7-1、第二折射透镜7-2的凹形面与第三折射透镜7-3、第四折射透镜7-4 的凹形面相对设置。所述的第一折射透镜7-1和第四折射透镜7-4分设于该投影物镜的两侧，用于校 正该投影物镜的球差；所述第二折射透镜7-2和第三折射透镜7-3凹形面相对设置，并设置 于第一折射透镜7-1和第四折射透镜7-4的内侧，用于消除该投影物镜的场曲。所述四个 折射透镜的材质以及各个凹形面、凸形面的曲率半径可以根据实际的需要进行设计，这里 不再展开叙述。衍射元件7-5设置于第二折射透镜7-2和第三折射透镜7-3之间，用于矫正该系 统的位置色散。如图3所示。所述衍射元件7-5可以是单层衍射元件，即仅有一个衍射光学元件构成。但是，单 层衍射元件由于仅对单一波长的光响应，即在设计波长处衍射效率较高，而在波长由设计 波长向两侧偏离时，衍射光学元件的主衍射级次的衍射效率逐渐下降，而次衍射级次的衍 射能量会弥散在主衍射级次的像面上，从而影响像面的对比度。故而单层衍射元件的光学 系统仅仅适用于窄波段。为克服单层衍射元件的光学系统仅仅适用于窄波段的问题，所述的衍射元件也可 以为双层衍射元件。即包含两个衍射光学元件。图4为本实施例中的一种双层衍射元件的 示意图。请参考图4，双层衍射元件7-5包括第一透射元件7-5-1和第二透射元件7_5_2 ； 且在两透射元件的一侧均设置有周期性凸凹微雕结构；例如，在第一透射元件7-5-1的一侧7-5-lb设置有凸凹微雕结构，在第二透射元件7-5-2的一侧7-5-2b设置有凸凹微雕结 构。两透射元件的凸凹微雕结构具有相同的周期。具体的，所述凸凹微雕结构可以为光栅 结构，两元件的光栅结构具有相同的光栅周期。所述第一透射元件7-5-1的侧边7-5-lb和第二透射元件7_5_2的侧边7_5_2b相 对设置，并紧贴在一起。而且，在紧贴在一起时，两侧的微雕结构的凸起相对，凹陷相对。在 所述第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的凹陷区域可以填充介质材料，也可以不 填充介质，仅为空气间隙。此外，所述第一透射元件7-5-1的侧边7-5-la和第二透射元件7_5_2的侧边 7-5-2a为与微雕结构相对的一侧，该侧可以是平面，也可以是球面或者非球面弧形结构。第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的微雕结构具有不同的深度，根据两 透射元件响应波长的不同，可以设置不同的深度。例如在确定两透射元件的不同色散系数 的基底材料之后，可以得到两透射元件的微雕结构深度(即凹陷深度)分别为第一透射元件的凹陷深度.H1=-2氣[”2(管‘眺)]}-
K2 [nt (A02 )]k01 [n2 (^01)] - km [ηλ (A01 )]k02 [n2 (A02)]弟一透射兀件的凹陷深度"2- , Γ ,, Λ17 r, Γ ,, r ,, Λ1
02 K (Λ)2)诉01 VnI (Λι)] — ^01 [nt (/I01 )]k02 [η2 (A02)]其中，Ii1 (λ 01)和Ii1 (λ J所述第一透射元件7-5-1在设计波长分别为λ 01和A02 时的折射率;η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元7-5-2件在设计波长分别为λ Μ和λ Q2时 的折射率；V和、为波数。也就是说，根据相应波长的需要，选定两衍射元件的基底材料之后，可以获得两透 射元件的凹陷深度。凹陷深度的大小以及基底材料决定了改双层衍射元件对不同波长的响应。例如，在设计的响应波长为可见光光谱范围时，即响应波长分别为400nm和 700nm、第一透射元件7_5_1和第二透射元件7_5_2的材质分别为TOD1和FD6时，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。即选择FCD1和FD6作为基底材料,H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um作为微雕 结构凹陷深度，则包含该双层衍射元件的光学系统可应用于可见光范围的头盔显示器中， 实现在可见光范围内观察时，具有较高的衍射效率。具体的，衍射效率可大于90%，从而可 以克服单层衍射元件的仅适用于窄波段的问题。此外，第一透射元件7-5-1和第二透射元件7-5-2的材质也可以分别为SF6和 Sk52,或者分别为Ge和ZnSe。上述实施例中的投影物镜，相对于现有的投影物镜，光学元件的数目减少，结构简 化、有利于使得整投影物镜整体体积减小，重量减轻；而且，对较大波长范围的光具有较好 的响应，使用波段范围扩大，衍射效率也具有较大的提高，从而有效提高了像面的对比度以 及真实性。能够满足头盔式显示装置在虚拟显示和可视化训练中的使用要求。上述实施例的投影物镜可以作为光学元件，应用于投影式头盔光学系统中，该光 学系统还可以应用于投影式头盔显示装置中，形成具有高对比度和逼真度的显示装置。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
一种用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于包括依次设置的、同光轴的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜和第四折射透镜；所述四个折射透镜之间具有间隙；在所述第二正透镜和第三正透镜之间还设置有衍射元件。
2.根据权利要求1所述的投影式头盔光学系统，其特征在于所述四个折射透镜均为 弯月形正透镜；且所述第一折射透镜和第二折射透镜的凹形面朝向相同，所述第三折射透镜和第四折 射透镜的凹形面朝向相同，且所述第一折射透镜、第二折射透镜的凹形面与第三折射透镜、 第四折射透镜的凹形面相对设置。
3.根据权利要求1所述的投影式头盔光学系统，其特征在于所述折射透镜之间的间 隙为空气或其介质。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于 所述衍射元件为单层衍射元件或双层衍射元件，
5.根据权利要求1或2或3所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于 所述衍射元件为双层衍射元件；所述双层衍射元件包括一侧设置有周期性凸凹微雕结构的第一透射元件和第二透射 元件；两透射元件的凸凹微雕结构具有相同的凸凹周期；所述第一透射元件和第二透射元件设置有凸凹微雕结构一侧相对设置，且两微雕结构 的凸起与凸起相对，凹陷与凹陷相对。
6.根据权利要求5所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于所述第一 透射元件和第二透射元件的与凸凹微雕结构相对的一侧面为平面、球面或者非球面弧形面。
7.根据权利要求5所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于弟一透射兀件的凹陷深度“! ~ U U Ci Μ7 Γ^TTTl~~7 Γ /1 Μ, ΓΓΓΤ,Kl [ 丨(Λ)2 )Foi (Λ)丨)]_ 众01 ["ι (ΛI )]众02 [ 2 (Λ)2 )]第二透射元件的凹陷深度·巧=-2^οιΚμο,)]-^Κ(Λ2)]}-Kl ["ι (Λ2 [ 2 (Λπ K (Λ )]^02 (Λ)2 )]其中，H1(Xcil)和IllUJ所述第一透射元件在设计波长分别为λΜ和λ μ时的折射 率；η2 ( λ 01)和η2 ( λ 02)所述第二透射元件在设计波长分别为λ Μ和λ 02时的折射率；V和 k02为波数。
8.根据权利要求7所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于所述第 一透射元件和第二透射元件的材质分别为TOD1和FD6。
9.根据权利要求8所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于在设计 两波长分别为400nm和700nm时，所述H1 = 10. 9um, H2 = 5. 9um。
10.根据权利要求7所述的用于投影式头盔光学系统的投影物镜，其特征在于所述第 一透射元件和第二透射元件的材质分别为SF6和Sk52，或者分别为Ge和ZnSe。
11.一种投影式头盔光学系统，其特征在于包括上述权利要求1至10任一所述的投 影物镜。
12.一种投影式头盔显示装置，其特征在于包括所述权利要求10所述的投影式头盔 光学系统。
全文摘要
一种用于投影式头盔光学系统的投影物镜，包括依次设置的、同光轴的第一折射透镜、第二折射透镜、第三折射透镜和第四折射透镜；所述四个折射透镜之间具有间隙；在所述第二正透镜和第三正透镜之间还设置有衍射元件。本发明的投影物镜结构较为简单，体积较小。本发明还提供一种投影式头盔光学系统及应用该系统的头盔显示装置。
文档编号G02B13/00GK101907764SQ201010242950
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者任志君, 应朝福, 王辉, 范长江 申请人:浙江师范大学