专利名称：一种折衍混合光学系统及使用该系统的头盔显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学系统技术领域，特别涉及士兵用头盔显示器减小体积和重 量、提高像质的光学技术。
技术背景在现代化战争中，对各种军事装备、设施都提出了适应现代化战争需要的、 更加严格的要求。为适应这种变化及提高部队杀伤力、机动性和生存能力，世界各国已兴起了开发士兵作战系统的浪潮。现有技术士兵头盔显示器(HMD)的 光学系统有两种方式 一种如图1所示，采用传统的蔡司目镜；有机电致发光 显示器(0LED) 9中的图像经透镜10、 ll放大，人眼在出瞳8处观察到经放大 的虚像。另一种如图2所示，有机电致发光显示器14中的图像的光线通过透镜 12再经过分束镜15反射射向凹面反射镜13，从凹面反射镜13反射的光透过分 束镜15，最后进入出瞳8 (人眼)。在头盔显示器(HMD)领域，佩戴者希望它 能显示彩色图像，并且有较大的视场角和出瞳直径以及较小的体积和重量。对 于现有的技术，增大光学系统视场角和出瞳直径就必然增加系统的体积和重量， 这是一个不可解决的矛盾。另外为实现彩色显示，光学系统就不得不引入折射 率不同光学材料组成的胶合透镜，从而进一步增加系统体积和重量。而且现有 的光学技术在校正像差、影像放大和提高像质等方面存在有不足。 发明内容本发明要解决的技术问题就是针对以上现有技术的不足，设计的一种结构 简单，实现彩色显示，具有一定放大率，可有效校正像差，提高像质，适合士 兵用的头盔显示器的折衍混合光学系统。本发明技术的解决方案为-一种折衍混合光学系统，沿其光轴方向依次包括发光显示器，折射衍射 混合透镜，使光线偏转90。的反射器以及透镜。其中，所述发光显示器为有机电致发光显示器；所述折射衍射混合透镜， 有二元光学元件置于平凸透镜的平面上，该二元光学元件为8台阶浮雕结构； 所述反射器为直角反射棱镜或全反射棱镜；所述透镜为具有一定光焦度和放大 率的透镜。所述折衍混合光学系统，优选为，沿其光轴方向包括设于焦平面上的有 机电致发光显示器，其发出的光线经过平凸透镜的平面上设有二元光学元件的 折射衍射混合透镜，进入直角反射棱镜，经反射后通过透镜，在出瞳处形成放 大虚像；即由有机电致发光显示器发出的光线通过折射衍射混合透镜后，进入 直角反射棱镜，经过反射的光线通过透镜，进入出瞳或人眼。本发明的折衍混合光学系统特别适用于现代士兵头盔的显示器，在士兵头 盔的显示器中，其光学系统沿光轴方向依次包括有机电致发光显示器，折射 衍射混合透镜，直角反射棱镜以及透镜，由有机电致发光显示器发出的光线通 过折射衍射混合透镜后，进入直角反射棱镜，经过反射的光线透过透镜，进入 人眼。此外，该显示器还具有一保护内部结构的外壳，以及一与头盔连接的头盔 挂接件。头盔显示器光学系统中提高像质的方法，首先设于焦平面上的有机电致发 光显示器所发出的光线，经折衍混合透镜和直角棱镜反射，由出瞳处观察到成 放大虚像，在直角反射棱镜和出瞳之间设有透镜。其次所述处于焦平面上的有 机电致发光显示器与直角反射棱镜之间设有折衍混合透镜。另外为了使头盔显示器光学系统体积縮小，采用了直角反射棱镜折叠光线。本发明的技术优点在于结构简单，实现彩色显示，具有一定放大率，可有 效校正像差提高像质。
图l:现有技术之一的光学原理示意图； 图2:现有技术之二的光学原理示意图； 图3:本发明原理示意图；图4:本发明形成的头盔显示器与士兵头盔装配的结构示意图；图5:二元光学元件的浮雕结构示意图。附图标记解释图l: 8—出瞳/人眼，9一有机电致发光显示器，IO —透镜一，11—透镜二； 图2: 8—出瞳/人眼，12—透镜三，13 —凹面反射镜，14一有机电致发光显示器，15 —分束镜；图3: 3' —有机电致发光显示器，5' —折衍混合透镜，6' —直角反射棱镜，7'一透镜，8—出瞳/人眼；图4: l一士兵头盔，2—挂接件，3—有机电致发光显示器，4一封装外壳，5—折衍混合透镜，6—直角反射棱镜，7—透镜，8—出瞳/人眼。
具体实施方式
由于HMD是一种安装于头盔上如图4所示，为佩带者提供舒适放大虚像的 目视光学系统。通常希望它具有较大的视场角和彩色显示能力且体积小、重量 轻。在传统光学系统(如图1和图2所示)中，很难实现既增大视场角、实现 彩色显示又能减小光学系统体积和重量，因为对于传统的光学系统实现彩色显示，就必须引入折射率不同的光学材料组成的胶合透镜校正色差，导致光学系 统重量增大。而为了增加视场角就要减小光学系统的焦距(减小凹面反射镜的 半径)，不得不增大光学系统口径，导致系统体积增大。为此设计光学系统如图3所示，在直角反射棱镜和出瞳之间，增加了一片具有一定光焦度的透镜。该透 镜可以改善光学系统的性能，使得在保证光学系统口径不增加的前提下，通过 减小光学系统焦距来达到增加光学系统视场角和出瞳直径的目的。此外，该透 镜还能起消像差、提高像质的作用。本发明的士兵头盔显示器光学系统如图3、 4所示3或3，是有机电致发 光显示器(0LED); 5或5'是折衍混合透镜；6或6'是直角反射棱镜；7或7' 是透镜；8是出瞳(即人眼放置的位置)，4是头盔显示器光学系统的封装外壳; 2是头盔显示器的挂接件。在该光学系统中，有机电致发光显示器3或3'处于 光学系统的焦平面上，其发出的光通过折衍混合透镜5或5'后，进入直角反射 棱镜6或6'，从直角反射棱镜6或6'反射的光线，透过透镜7或7'，最后进 入出瞳8 (人眼)。OLED上的图像经过光学系统成放大的虚像(处于无穷远处), 人眼在出瞳位置处就可以观察0LED上经放大的虚像。本发明关键之处在于， 一是直角反射棱镜和出瞳之间有一个具有一定放大 率的透镜，此透镜能使整个光学系统的焦距减小，换言之增大了系统的视场角。 从而使整个画面比不加透镜时大许多；二是系统中引入了二元光学元件，即5' 虚线表示的平面。将二元光学元件置于平凸透镜的平面上，可以显著降低加工 难度，加工采用掩模工艺，用三块掩模加工成8台阶结构，整个浮雕结构如图5 所示，可以看出浮雕由一圈圈的凹槽组成，凹槽的一个侧臂被雕刻成8个台阶， 所有凹槽深度相同，但宽度不同，这种结构可以使二元光学元件具有一定的光 焦度，从而实现其光学性能。二元光学元件的光焦度与光波长成正比，具有强烈的色散作用，单个二元光学 元件一般不用于具有一定带宽的光成像。但它与普通透镜以适当的方式混合时，色散作用可以相互抵消。因为二元光学元件的等效阿贝数大约为-3.452，而光 学玻璃的阿贝数都在20以上。因此在一个正透镜表面上形成的二元光学元件可 以起到负透镜的作用，给它以适当的光焦度就可以消色差，用于宽带成像。另 外，二元光学元件具有任意相位分布特性，为光学设计提供更多的自由度来校 正系统的像差，提高光学系统的成像质量。再有，二元光学元件还具有平像场 的性质，当单个二元光学元件使用时，其场曲为零，不存在校正场曲的问题。 于是采用混合光学系统设计可以减少光学系统中的透镜个数，缩小体积和减轻 重量。
权利要求
1、一种折衍混合光学系统，其特征在于，沿其光轴方向依次包括发光显示器，折射衍射混合透镜，使光线偏转90°的反射器以及透镜。
2、 根据权利要求l所述的折衍混合光学系统，其特征在于，所述发光显示器为有机电致发光显示器。
3、 根据权利要求1所述的折衍混合光学系统，其特征在于，所述折射衍射 混合透镜，有二元光学元件置于平凸透镜的平面上，该二元光学元件为8台阶 浮雕结构。
4、 根据权利要求1所述的折衍混合光学系统，其特征在于，所述反射器为 直角反射棱镜或全反射棱镜。
5、 根据权利要求1所述的折衍混合光学系统，其特征在于，所述透镜为具 有一定光焦度和放大率的透镜。
6、 根据权利要求1至5中任一项所述的折衍混合光学系统，其特征在于，由有机电致发光显示器发出的光线通过折射衍射混合透镜后，进入直角反射棱 镜，经过反射的光线通过透镜，进入出瞳或人眼。
7、 根据权利要求1至5中任一项所述的折衍混合光学系统，其特征在于， 沿其光轴方向包括设于焦平面上的有机电致发光显示器，其发出的光线经过 平凸透镜的平面上设有二元光学元件的折射衍射混合透镜，进入直角反射棱镜， 经反射后通过透镜，在出瞳处形成放大虚像。
8、 一种士兵头盔显示器，其特征在于，该显示器光学系统沿光轴方向依次包括有机电致发光显示器，折射衍射混合透镜，直角反射棱镜以及透镜。
9、 根据权利要求8所述的士兵头盔显示器，其特征在于，该显示器具有一 保护内部结构的外壳，以及一与头盔连接的头盔挂接件。
10、 根据权利要求8或9所述的士兵头盔显示器，其特征在于，由有机电 致发光显示器发出的光线通过折射衍射混合透镜后，进入直角反射棱镜，经过 反射的光线透过透镜，进入人眼。
全文摘要
本发明涉及一种折衍混合光学系统及使用该系统的头盔显示器，该系统沿其光轴方向具有设于焦平面上的有机电致发光显示器，其发出的光线经过平凸透镜的平面上设有二元光学元件的折射衍射混合透镜，进入直角反射棱镜，经反射后通过透镜，在出瞳处形成放大虚像，本发明关键之处在于，一是直角反射棱镜和出瞳之间有一个具有一定放大率的透镜，此透镜能使整个光学系统的焦距减小，换言之增大了系统的视场角，从而使整个画面比不加透镜时大许多；二是系统中引入了二元光学元件；本发明的结构简单，实现彩色显示，具有一定放大率，可有效校正像差提高像质。
文档编号G02B27/42GK101256285SQ20071030254
公开日2008年9月3日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者余晓芬, 吴华夏, 杨新军 申请人:安徽华东光电技术研究所