机载护目镜型头盔显示器光学系统技术方案

本发明专利技术机载护目镜型头盔显示器光学系统提供一种大视场光学显示系统，该光学显示系统沿光轴方向依次包括：图像源、中继透镜组件、棱镜组件，和凹面反射镜，其中凹面反射镜接收和反射来自棱镜组件的图像源的图像光线，该凹面反射镜相对于图像源存在一个弯曲角，使得反射像中生成非对称像差，其中所述弯曲角定义为光轴与凹面反射镜内表面各点法线之间的夹角；所述中继透镜组件由前组、中间组和后组三组组成，其中每一组分别由多个透镜组成；在光轴方向上，前组靠近所述棱镜组件，后组靠近所述图像源，中间组位于前组和后组之间；前组、中间组和后组三组透镜可分别作为一个整体平移和旋转，使前组、中间组和后组三组透镜局域轴彼此存在一个交角，从而补偿光学显示系统的非对称像差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及折反式离轴成像系统非对称像差校正领域，特别是机载护目镜型头盔显示器光学系统消除像差、提高像质的光学技术。
技术介绍
机载护目镜型头盔显示器将必要的飞行参数信息和瞄准信息投影到飞行员前面的护目镜上，使飞行员能同时看到护目镜反射的信息和周围环境。已经公开的典型相关专利有U. S. Pat. No. 3940204，专利中的护目镜型头盔显示器采用CRT作图像源，CRT固定于头盔的一侧，CRT显示的图像首先由中继光学组件向前传输，然后通过棱镜组件转向并投射到曲面形护目镜上，投射光线与护目镜各点的垂直线之间存在一个较大的夹角，这个角范围通常有55° -60° ，从而在护目镜反射像中产生了明显的非对称像差。 这种非对称像差非常复杂，通过矢量像差理论分析发现，像差中主要包括双节点像散和彗差，彗差又分为与视场成线性关系的成分及在整个视场数值固定不变的成分；像散也分为与视场成二次及线性关系的成分，以及在整个视场固定不变的成分。 之前，有人提出在CRT和飞行头盔护目镜之间引入倾斜与偏心的光学元件构成中继光学透镜组件，通过光学元件倾斜或偏心产生的像差来抵消护目镜投影显示的非对称像差，同时调整CRT的倾角作为补偿。后来又把飞行头盔护目镜反射面设计成全息衍射面，一个非对称波前被记录在全息衍射面中，以此来进一步校正护目镜投影显示的非对称像差。不过像差校正效果并没有完全成功，仍有明显的剩余像差存在，另一方面随着宽波段小型平板显示器的引入头盔显示系统中，全息衍射型护目镜已经成为设计宽波段头盔显示器的最大障碍。但是利用传统护目镜代替全息衍射型护目镜又会使非对称像差和色差校正困难。另一种减小非对称像差的办法是在飞行员眼面放一个分束镜，改变投射到护目镜上的光线方向，因此减小了投射光线与护目镜各点垂直线之间的夹角，从而减小了非对称像差。但这种结构的一个主要问题是飞行员眼前的分束镜明显减小了机载头盔显示器的眼点距，限制了这种结构的应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种先进的机载头盔护目镜型光学显示系统，它具有更大的视场和更 宽的波段范围，同时像差小，成像质量高。 本专利技术提供一种大视场光学显示系统，该光学显示系统沿光轴方向依次包括图 像源，其产生图像光线；中继透镜组件，用于将图像源产生的图像光线传输至棱镜组件；棱 镜组件，用于偏转来自中继透镜组件的图像光线的传播方向；凹面反射镜，接收和反射来 自棱镜组件的图像源的图像光线，该凹面反射镜相对于图像源存在一个弯曲角，使得反射 像中生成非对称像差，其中所述弯曲角定义为光轴与凹面反射镜内表面各点法线之间的夹 角；所述中继透镜组件由前组、中间组和后组三组组成，其中每一组分别由多个透镜组成； 在光轴方向上，前组靠近所述棱镜组件，后组靠近所述图像源，中间组位于前组和后组之间；前组、中间组和后组三组透镜可分别作为一个整体平移和旋转，使前组、中间组和后组三组透镜局域轴彼此存在一个交角，从而补偿光学显示系统的非对称像差。 根据本专利技术一方面，所述前组和后组透镜都有正的光焦度。 根据本专利技术一方面，所述非对称像差包括双节点像散和彗差，通过前组、中间组和 后组三组透镜的偏心和倾斜放置而对其进行补偿。 根据本专利技术一方面，该光学显示系统工作在可见波长范围内。 根据本专利技术一方面，所述中继光学透镜组件的前组和后组中包括用于补偿光学显 示系统色差的双胶合透镜。 根据本专利技术一方面，所述中继光学透镜组件的中间组中包括一个非球面透镜，用 于校正光瞳球差，以增大光瞳像直径。 本专利技术还是一种机载护目镜型头盔光学显示系统，包括图像源，该图像源固定于 机载头盔的侧上方并生成图像光线；中继透镜组件，用于将图像源产生的图像光线传输至 棱镜组件；棱镜组件，用于偏转来自中继透镜组件的图像光线的传播方向；作为机载头盔 一部分的护目镜，在该护目镜内表面形成凹面反射镜，以接收和反射来自棱镜组件的图像 源的图像光线，该凹面反射镜相对于图像源存在一个弯曲角，使得反射像中生成非对称像 差，其中所述弯曲角定义为光轴与凹面反射镜内表面各点法线之间的夹角；所述中继透镜 组件由前组、中间组和后组三组组成，其中每一组分别由多个透镜组成；在光轴方向上，前 组靠近所述棱镜组件，后组靠近所述图像源，中间组位于前组和后组之间；前组、中间组和 后组三组透镜可分别作为一个整体平移和旋转，使前组、中间组和后组三组透镜局域轴彼 此存在一个交角，从而补偿光学显示系统的非对称像差。 根据本专利技术一方面，通过在所述护目镜内表面上镀半透半反膜的方式形成凹面反 射镜。 根据本专利技术一方面，其中该光学显示系统工作在可见波长范围内。 通过将中继光学透镜组件分成前组、中间组和后组，三组光学透镜相互独立地倾斜和偏心，产生双节点像散及彗差，来抵消护目镜型光学成像系统的对应像差。三个组中相互独立的中继透镜组件大大增加了有效补偿非对称像差的自由度，可补偿所有三个双节点像散和两个彗差成分。 本专利技术的具体装置中，前组中继透镜组件具有正的光焦度，并将头盔佩戴者瞳孔 成像在中间组两个透镜之间，有效减小了整个光学系统的口径，前组又称准直透镜组；中间 组中继透镜组件又称光瞳组，包括一个非球面透镜通过校正光瞳球差和彗差，可有效增大 光瞳直径；后组中继透镜组件同样具有正的光焦度，它将图像源生成的图像进行准直处理， 给佩戴者提供一个明显的远场像，后组中继透镜组件就相当于一个数值孔径较大的目镜。 使用一个传统的曲面护目镜代替了全息衍射反射镜，以增大头盔护目镜型光学显 示系统的波段宽度，实际上基本包括了整个可见光波段。为了校正由此带来的色差，在前组 和后组中继透镜组件中都插入了双胶合透镜，另外后组中的正光焦度透镜置于两个双胶合 透镜之间，为的是进一步减小后组中继透镜组件的口径，扩大瞳孔像的直径。再有在图像源 和后组中继透镜组件之间引入了一个透镜，该透镜与图像源胶合在一起，目的是校正整个 光学系统的场曲，同时提高图像源的光能利用率。 本专利技术的技术优点在于视场大、波段宽、像质好，尤其重要的是满足机载护目镜型头盔显示器对光学系统的要求。下面将结合附图进行详细描述。 附图说明 图1为本专利技术带有护目镜型头盔显示系统的机载头盔顶视图； 图2为本专利技术带有护目镜型头盔显示系统的机载头盔前视图； 图3为本专利技术护目镜型头盔显示光学系统的结构具体实施例方式本专利技术依据机载飞行员用头盔显示进行描述，但是本专利技术能应用于其它许多方 面，如"虚拟现实"显示系统，复杂结构分析与设计系统等。 图1和图2显示了本专利技术应用于飞行员头盔显示时，头盔1、护目镜2和本专利技术的 中继光学透镜组件3的装配关系。飞行员信息显示画面由微型有机发光二极管(0LED)显 示器5生成，微型0LED装在头盔的侧上方，通过棱镜组件6对光线进行偏转，实现将生成的 信息显示画面投影在护目镜内表面上，反射进飞行员眼睛，使飞行员看到微型OLED提供的 信息显示画面，同时飞行员透过护目镜看到周围环境，如箭头7所指。中继光学透镜部分包 括前组8、中间组9和后组10被安装在微型0LED显示屏11和护目镜(2)之间。图1和图 2给出了护目镜型头盔显示光学系统的简图，光学系统更详细的描述在下面接合图3给出。 本专利技术的透镜布置如图3所示，中继光学透镜组件的前组包括正透镜13和负透镜 14组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大视场光学显示系统，该光学显示系统沿光轴方向依次包括：图像源，其产生图像光线；中继透镜组件，用于将图像源产生的图像光线传输至棱镜组件；棱镜组件，用于偏转来自中继透镜组件的图像光线的传播方向；凹面反射镜，接收和反射来自棱镜组件的图像源的图像光线，该凹面反射镜相对于图像源存在一个弯曲角，使得反射像中生成非对称像差，其中所述弯曲角定义为光轴与凹面反射镜内表面各点之间的夹角；其特征在于：所述中继透镜组件由前组、中间组和后组三组组成，其中每一组分别由多个透镜组成；在光轴方向上，前组靠近所述棱镜组件，后组靠近所述图像源，中间组位于前组和后组之间；前组、中间组和后组三组透镜可分别作为一个整体平移和旋转，使前组、中间组和后组三组透镜局域轴彼此存在一个交角，从而补偿光学显示系统的非对称像差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴华夏，杨新军，
申请(专利权)人：安徽华东光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]