應用全息元件的光學系統及具有該光學系統的頭盔顯示器技術方案

本實用新型專利技術提供了一種應用全息元件的光學系統，包括微顯示器以及光學組合器，所述微顯示器與膠合鏡膠合為一整體，所述光學組合器包含兩個45度角的直角棱鏡、一個全息光學元件，及窄帶高反光學面，兩個45度角的直角棱鏡緊密貼合在一起，所述全息光學元件與直角棱鏡膠合為一整體，位于光學組合器靠近膠合鏡的一面，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角。本實用新型專利技術還提供了一種具有上述光學系統的頭盔顯示器。本實用新型專利技術的優點在于：系統緊湊、校正方便、像差校正良好、可靠性高。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于光學設計領域，涉及ー種頭盔顯示器的光學系統，特別是應用全息元件的頭盔顯示器。
技術介紹
頭藍顯示器(HMD, HeadMountedDisplay)分為半投型與全投型,是ー種新興的機載顯示/瞄準系統。它能將小型ニ維顯示器所產生的圖像經由光學系統，成虛像于人眼前方。具體而言，小型ニ維顯示器所發射的光線經過透鏡組使影像因折射或衍射產生類似遠方效果，利用此效果將近處物體放大至遠處觀察或瞄準而達到所謂的全像視覺。 1968年世界上第一個真正意義上的頭盔顯示器為軍用頭盔顯示器，即美國ARPA信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland開發的“達摩克里斯之劍”頭盔顯示器。原先主要為戰機和戰車駕駛員配備，而現在，無論是戰斗機、直升機還是單兵所戴的頭盔不單是保護裝置，飛速發展的科技技術將多種功能凝聚在頭盔里，使其成為幫助使用者操縱飛機、瞄準、獲取地圖信息等設備的得力助手，是使用者與其武器、基地之間的重要紐帶。另外，民用頭盔顯示器在虛擬技術應用系統中的地位也十分重要。因為頭盔顯示器是固定于頭盔上的，頭盔顯示器設計的關鍵點是在滿足各項光學性能的情況下，系統的體積要盡量小、結構緊湊、重量小。特別在軍事領域，無論是飛行員還是單兵，頭盔顯示系統的體積或重量的微小增加對使用者都能帶來極大的不便。全息光學兀件(Holographic Optical Element, HOE)是一種衍射光學兀件(Diffractive Optical Element, DOE)。衍射成像光學元件的色散具有負向性,且與材料無關，這非常有利于消色差，可以同折射元件。衍射光學元件作為ー種成像光學元件，所具備的任意相位分布、特殊色散、平像場以及薄型元件性質決定了它在成像光學系統中的地位和作用.折/衍混合成像系統充分利用了傳統幾何光學元件和衍射光學元件各自的優點，能有效簡化光學系統結構，減輕重量，縮小體積和改善成像質量，實現許多傳統成像光學所不能達到的目標，是對傳統成像光學的重大變革.折/衍混合成像系統的優勢使其首先在軍事、航天領域中的高技術光學成像系統中得到應用。在專利文獻CN200510008494.9 (公開日為2005年9月7日)提出了ー種頭盔顯示器的光學系統，如圖2，其只用ー個正透鏡42、一個微顯示器41與ー個光學元件組43組成光學系統，通過半透半反光學面44對光線進行折轉。由于正透鏡42與微顯示器41、光學元件組43之間的距離較小，這給實際安裝和調試帶來ー些麻煩，降低其可靠性。另外，由于使用半透半反光學面44，在不考慮介質吸收的情況下，微顯示器41達到人眼46的光能最高為25%，外部光線到達人眼的光能最高為50%，不利用于觀察外界景物。專利文獻CN200610034306. 4 (公開日為2007年9月12號)提出一種頭盔顯示器的光學成像系統，如圖3，包括圖像信息顯示源I、自由曲面棱鏡2和組合棱鏡17，圖像信息顯示源I發出的第一光線4經自由曲面棱鏡2進入組合棱鏡17，組合棱鏡17中至少包含有一個半反半透鏡8，半反半透鏡8位于由第一方向入射到其上的第一光線4的光路上，并位于由第二方向入射到其上的外部射入的第二光線9的光路上，被半反半透鏡8反射后的第一光線4和透射過的第二光線9在半反半透鏡面上合成第三光線16后進入觀視者的瞳孔5，目鏡12與組合棱鏡17緊密的貼合在一起，自由曲面棱鏡2與圖像信息顯示源I相鄰面為凹面，其中3代表光學面，15代表凸透面，20為出瞳距。與專利文獻CN200510008494. 9相比少了ー個反射面45。盡管進入人眼55的光能有同情況下有所提高，但其自由曲面棱鏡2使得加工成本大大提高，同時降低其可靠性。并且上述兩種結構中，都具有三個光學元件或光學組件，因此，加工完成后，需要裝配三個部分，裝配過程較復雜。另外，因為顯示源(微顯示器41及圖像信息顯示源I)距離光學組件(光學元件組43和組合棱鏡17)的距離較近，通常只有20至30mm，所以在調校時，位于顯示源及光學組件之間的光學元件(正透鏡42及自由曲面棱鏡2)的移動難度非常大。
技術實現思路
本技術所要解決的技術問題之ー是提供ー種輕型、緊湊、像差校正良好和可靠性高的頭盔顯示器光學系統。本技術所要解決的技術問題之ニ是提供ー種具有上述光學系統的頭盔顯示器。本技術是通過以下技術方案解決上述技術問題之一的一種應用全息元件的光學系統，包括微顯示器以及光學組合器，還包括位于微顯示器以及光學組合器之間的膠合鏡，所述微顯示器與膠合鏡膠合為一整體，所述光學組合器包含兩個45度角的直角棱鏡、一個全息光學元件，及窄帶高反光學面，兩個45度角的直角棱鏡緊密貼合在一起，所述全息光學元件與直角棱鏡膠合為一整體，位于光學組合器靠近膠合鏡的一面，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角。本技術進ー步具體為所述光軸垂直于微顯示器的像素面，且經過其中心，全息光學元件、光學組合器的靠近人眼瞳孔的光學面及靠近外部光線的光學面均為平面，且均與光軸垂直。所述的窄帶高反光學面對494-544nm波段的光的反射率大于70%,其它可見光波段的透過率大于90%。所述的膠合鏡為平凸透鏡，平的一面與微顯示器膠合且垂直于光軸，凸的一面為非球面的曲面。所述的微顯示器為有機電致發光顯示器。本技術是通過以下技術方案解決上述技術問題之ニ的ー種具有應用全息元件的光學系統的頭盔顯示器，該頭盔顯示器的光學系統包括微顯示器以及光學組合器，還包括位于微顯示器以及光學組合器之間的膠合鏡，所述微顯示器與膠合鏡膠合為一整體，所述光學組合器包含兩個45度角的直角棱鏡、一個全息光學元件，及窄帶高反光學面，兩個45度角的直角棱鏡緊密貼合在一起，所述全息光學元件與直角棱鏡膠合為一整體，位于光學組合器靠近膠合鏡的一面，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角。本技術與現在技術相比，具有以下優點I、由于兩塊棱鏡與全息光學元件膠合在一起、像源屏與ー塊平凸鏡膠合在一起。光學結構更加簡單，在光學元件加工完成后，相當于只用裝配兩個光學部件。2、整個光學系統只有兩個曲面，易于加工。3、該光學系統具有対稱性，大大降低機械結構設計的難度和加工成本。4、整個光學系統的工作面(包括屏)總共只有四個面暴露于空氣中，其中兩個面于機械結構的內部，另外兩個位于外部。且總共是三個平面加ー個曲面，暴露在機械結構外部的兩個工作面均為平面。這將大大提高光學元件表面清潔度的可靠性。6、屏一平凸透鏡組合部件相對于棱鏡的距離有所増加，這可以使得調校范圍更 大。7、光學材料使用光學塑料PMMA，使得整個光學系統重量大大減輕。8、使用窄帶高反光學面與全息光學元件，使得內、外部通道的光能利用率大大提聞。通過下面給你的描述和示例，以及也通過所附的權利要求，本技術的實施方式及其益處對本領域的技術人員將變得顯然。附圖說明圖I本技術光學系統的光學結構圖圖2現在的一種頭盔顯示器的光學結構圖圖3現在的另ー種頭盔顯示器的光學結構圖圖4本技術的光學軟件模擬圖。具體實施例請參閱圖I所示，本技術應用全息元件的光學系統包括微顯示器32、膠合鏡31，和ー個光學組合器20。所述光軸垂直于微顯示器32的像素面本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種應用全息元件的光學系統，包括微顯示器以及光學組合器，其特征在于還包括位于微顯示器以及光學組合器之間的膠合鏡，所述微顯示器與膠合鏡膠合為一整體，所述光學組合器包含兩個45度角的直角棱鏡、一個全息光學元件，及窄帶高反光學面，兩個45度角的直角棱鏡緊密貼合在一起，所述全息光學元件與直角棱鏡膠合為一整體，位于光學組合器靠近膠合鏡的一面，窄帶高反光學面位于兩個直角棱鏡結合處，與水平光軸及豎直光軸均成45度角。2.根據權利要求I所述的應用全息兀件的光學系統，其特征在于所述光軸垂直于微顯示器的像素面，且經過其中心，全息光學元件、光學組合器的靠近人眼瞳孔的光學面及靠近外部光線的光學面均為平面，且均與光軸垂直。3.根據權利要求I所述的應用全息元件的光學系統，其特征在于所述的窄帶高反光學面對494_544nm波段的光的反射率大于70%,其它可見光波段的透過率大于90%。4.根據權利要求I所述的應用全息元件的光學系統，其特征在于所述的膠合鏡為平凸透鏡，平的一面與微顯示器膠合且垂直于光軸，凸的一面為非球面的曲面。5.根據權利要求I所述的應用全息元件的光學系統，其特征在于所述的微顯示器為有機電致發光顯示器。6.ー種具有應用全息元件的光學系統的頭盔顯示器，該頭...

【專利技術屬性】
技術研發人員：藍景恒，楊新軍，陳國勝，康濤，
申請(專利權)人：中航華東光電有限公司，
類型：實用新型
國別省市：