一种机载护目镜型头盔显示器光学系统

摘要

本发明公开了一种机载护目镜型头盔显示器光学系统，沿光轴方向依次为数字像源、中继透镜组及光学护目镜；数字像源发出的成像光线经过中继透镜组后，由光学护目镜反射进入观察者眼中；中继透镜组由前组、中间组和后组三组透镜组成；光学护目镜相对于数字像源存在一个弯曲角，使得反射光线所成得像中生成非对称像差；光学护目镜采用超环面面型，光学护目镜内表面上镀窄带高反膜形成凹面反射镜；前组、中间组和后组三组透镜在空间上可单独或整体相对于光轴进行横向位移和倾斜偏转，从而补偿该光学显示系统的非对称像差；本发明采用非对称结构，中继透镜组可任意位置设置，在空间上任意偏移和旋转，以消除像差，带来更高成像质量。

权利要求

1.一种机载护目镜型头盔显示器光学系统，沿光轴方向依次为数字像源、中继透镜组及光学护目镜；光学护目镜固定于头盔盔体前方，并叠放在遮光护目镜后方，两组中继透镜组交叉固定于盔体前部内侧；数字像源发出的成像光线经过中继透镜组后，由光学护目镜反射进入观察者眼中；所述中继透镜组由前组、中间组和后组三组透镜组成；所述光学护目镜相对于数字像源存在一个弯曲角，使得反射光线所成得像中生成非对称像差；其特征在于：所述光学护目镜采用超环面面型，所述光学护目镜内表面上镀窄带高反膜形成凹面反射镜；前组、中间组和后组三组透镜在空间上可单独或整体相对于光轴进行横向位移和倾斜偏转，使前组、中间组和后组三组透镜各自局域轴彼此及与该显示光学系光轴不再平行；从而补偿该光学显示系统的非对称像差；前组透镜靠近数字像源由第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜及第四中继透镜组成；后组透镜靠近光学护目镜，由第八透镜组成；中间组透镜位于前组和后组之间，由第五中继透镜、第六中继透镜、第七中继透镜组成。

2.如权利要求1所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：前组透镜具有正光焦度，第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜及第四中继透镜依次为场镜、弯月透镜、弯月透镜和双凸透镜，第二中继透镜及第三中继透镜弯向数字像源；中间组透镜具有负光焦度，第五中继透镜、第六中继透镜和第七中继透镜依次为胎面透镜、双凹透镜及弯月透镜；后组透镜具有正光焦度，第八中继透镜为双凸透镜。

3.如权利要求2所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：中继透镜组中第一中继透镜与第八中继透镜采用奇次非球面，第三中继透镜、第四中继透镜、第六中继透镜采用偶次非球面，第五中继透镜采用胎面非球面，所有透镜均采用偏心倾斜的离轴工作方式。

4.如权利要求3所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：前组透镜将头盔佩戴者瞳孔成像在中间组上，减小整个光学系统的口径，为准直透镜组；中间组透镜为光瞳组，包括非球面透镜通过校正光瞳球差和彗差，增大光瞳直径；后组透镜将图像源生成的图像进行准直处理，给佩戴者提供远场像，相当于一个数值孔径较大的目镜。

5.如权利要求1至4任一项所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：

所述非对称像差为双节点像散和彗差。

6.如权利要求5所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：所述光轴为该显示光学系统中心视场主光线从数字像源的显示屏到光学护目镜的光路，光轴与光学护目镜各点法线夹角称为弯曲角。

7.如权利要求6所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：所述光学护目镜具有方位和仰俯两个方向离轴角。

8.如权利要求7所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：该显示光学系统的焦距为25-30mm，出瞳为15mm，视场角为50度。

9.如权利要求8所述的机载护目镜型头盔显示器光学系统，其特征在于：该显示光学系统相对孔径为2.0-2.5。

说明书

一种机载护目镜型头盔显示器光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及折反式离轴成像系统光学系统设计，特别是机载护目镜型头盔显示器光学系统。

背景技术

[0002] 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专利号为3940204的美国专利文献；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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 已经公开的专利号为200910251432.9的中国专利文献，提供了一种大视场显示光学系统，其沿光轴方向依次包括：图像源，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；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。

[0006] 已经公开的专利号为201010235484.X的中国专利文献，提供了一种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和中继透镜组，中继透镜组由第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜、第四中继透镜、第五中继透镜和第六中继透镜组成；系统采用折反射结构形式，成像器件产生的图像经中继透镜组后，由护目镜反射进入人眼。

[0007] 但专利号为200910251432.9和201010235484.X的上述两个专利中，该显示光学系统采用面对称的设计结构；护目镜采用平面结构，中继透镜组只能和人眼水平或垂直方向放置，实际使用中不仅中继透镜组设置位置受限制，且这种结构会带来像面倾斜，限制了这种结构的应用。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供具有大视场和高成像质量，能够更好地与飞行头盔融合，达到最佳人机功效的机载护目镜型头盔显示器光学系统。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0010] 该机载护目镜型头盔显示器光学系统，沿光轴方向依次为数字像源、中继透镜组及光学护目镜；光学护目镜固定于头盔盔体前方，并叠放在遮光护目镜后方，两组中继透镜组交叉固定于盔体前部内侧；数字像源发出的成像光线经过中继透镜组后，由光学护目镜反射进入观察者眼中；所述中继透镜组由前组、中间组和后组三组透镜组成；所述光学护目镜相对于数字像源存在一个弯曲角，使得反射光线所成得像中生成非对称像差；所述光学护目镜采用超环面面型，所述光学护目镜内表面上镀窄带高反膜形成凹面反射镜；前组、中间组和后组三组透镜在空间上可单独或整体相对于光轴进行横向位移和倾斜偏转，使前组、中间组和后组三组透镜各自局域轴彼此及与该显示光学系光轴不再平行；从而补偿该光学显示系统的非对称像差。

[0011] 进一步地，前组透镜靠近数字像源由第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜及第四中继透镜组成；后组透镜靠近光学护目镜，由第八透镜组成；中间组透镜位于前组和后组之间，由第五中继透镜、第六中继透镜、第七中继透镜组成。

[0012] 进一步地，前组透镜具有正光焦度，第一中继透镜、第二中继透镜、第三中继透镜及第四中继透镜依次为场镜、弯月透镜、弯月透镜和双凸透镜，第二中继透镜及第三中继透镜弯向数字像源；中间组透镜具有负光焦度，第五中继透镜、第六中继透镜和第七中继透镜依次为胎面透镜、双凹透镜及弯月透镜；后组透镜具有正光焦度，第八中继透镜为双凸透镜。

[0013] 进一步地，中继透镜组中第一中继透镜与第八中继透镜采用奇次非球面，第三中继透镜、第四中继透镜、第六中继透镜采用偶次非球面，第五中继透镜采用胎面非球面，所有透镜均采用偏心倾斜的离轴工作方式。

[0014] 进一步地，前组透镜组将头盔佩戴者瞳孔成像在中间组上，减小整个光学系统的口径，为准直透镜组；中间组透镜组为光瞳组，包括非球面透镜通过校正光瞳球差和彗差，增大光瞳直径；后组透镜组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，相当于一个数值孔径较大的目镜。

[0015] 所述非对称像差为双节点像散和彗差，包括与该显示光学系统视场成二次或线性关系的像散和数值固定不变的像散以及与视场成线性关系的彗差和数值固定不变的彗差。

[0016] 所述光轴为该显示光学系统中心视场主光线从数字像源的显示屏到光学护目镜的光路，光轴与光学护目镜各点法线夹角称为弯曲角。

[0017] 所述光学护目镜具有方位和仰俯两个方向离轴角，使投射到左眼成像的中继透镜组位于右眼上方，同时使投射到右眼成像的中继透镜组位于左眼上方。

[0018] 该显示光学系统的焦距为25-30mm，出瞳为15mm，视场角为50度。

[0019] 该显示光学系统相对孔径为2.0-2.5。

[0020] 该机载护目镜型头盔显示器光学系统，与现有技术相比，具有以下优点：

[0021] 首先，光学护目镜采用接近球面的超环面面型，在保证短焦距大相对孔径大视场角成像，而且结构简单；同时保证光学护目镜的外形与头盔表面外形的一致性，以及工艺加工性。

[0022] 其次，光学护目镜具有方位和俯仰两个方向的离轴角，保证显示光机结构、护目镜以及头盔三者良好配合，实现最佳人机功效特性。

[0023] 再其次，光学护目镜镀窄带高反膜，保证光学护目镜具有高透射、高反射特点，有效利用数字像源亮度和外界场景亮度。

[0024] 再其次，该光学系统采用中继透镜倾斜、偏心结构，明显改善了成像质量。采用短焦距大视场角设计，焦距25-30mm，出瞳15mm，视场角达到50度。采用大相对孔径设计，相对孔径为2.0-2.5，提高了像平面上的光照度。

[0025] 最后，该光学系统采用非对称结构，光学护目镜采用非面对称结构形式，中继透镜组可任意位置设置，在空间任意上偏移和旋转，以消除像差，带来更高成像质量。

附图说明

[0026] 下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

[0027] 图1为本发明机载护目镜型头盔显示器光学系统的结构示意图。

[0028] 图2为本发明机载护目镜型头盔显示器光学系统的中继透镜组的布置图。

[0029] 图3为本发明机载护目镜型头盔显示器光学系统的调制传递函数曲线。

[0030] 图4为本发明机载护目镜型头盔显示器光学系统的像差畸变示意图。

[0031] 上述图中的标记均为：

[0032] 1、第一中继透镜，2、第二中继透镜，3、第三中继透镜，4、第四中继透镜，5、第五中继透镜，6、第六中继透镜，7、第七中继透镜，8、第八中继透镜，9、数字像源，10、前组，11、中间组，12、后组，13、入瞳，14、光轴，100、头盔，101、遮光护目镜，102、中继透镜组，103、光学护目镜，104、箭头。

具体实施方式

[0033] 下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0034] 图1至图2为本发明应用于飞行员头盔显示时，头盔100、遮光护目镜101、光学护目镜103和中继光学透镜组102的装配关系。该机载护目镜型头盔显示器光学系统，沿光轴14方向依次为数字像源9、中继透镜组102及光学护目镜103；光学护目镜103固定于头盔
100的头盔盔体前方，并叠放在遮光护目镜101后方，两组中继透镜组102交叉固定于头盔盔体前部内侧；数字像源9发出的成像光线经过中继透镜组102后，由光学护目镜103反射进入观察者眼中；中继透镜组102由前组10、中间组11和后组12三组透镜组成；光学护目镜103相对于数字像源9存在一个弯曲角，使得反射光线所成得像中生成非对称像差；光学护目镜103采用超环面面型，光学护目镜103内表面上镀窄带高反膜形成凹面反射镜；前组
10、中间组11和后组12三组透镜在空间上可单独或整体在空间上相对于光轴14进行横向位移，使中继透镜组102中心偏离光轴14，同时前组10、中间组11和后组12在空间上可单独或整体在空间上相对于光轴14进行倾斜偏转，使前组10、中间组11和后组12三组透镜各自局域轴彼此及各自局域轴与该显示光学系光轴14不再平行，前组10、中间组11和后组
12三组透镜局域轴彼此存在一个交角；从而补偿该光学显示系统的非对称像差。该光学系统采用非对称结构，光学护目镜103采用非面对称结构形式，中继透镜组102可任意位置设置，且能在空间任意角度偏移和旋转，以消除像差，带来更高成像质量。

[0035] 具体的，飞行员观察到的显示画面由数字像源9生成，数字像源9为微型有源液晶显示器(MICRO-AMLCD)，数字像源9装在飞行头盔的侧上方，经过前组10(包括第一中继透镜1、第二中继透镜2、第三中继透镜3及第四中继透镜4)、中间组11(包括第五中继透镜5、第六中继透镜6、第七中继透镜7)及后组12(包括第八透镜8)后，由光学护目镜103反射进入飞行员眼睛，实现将生成的信息显示画面投影在光学护目镜103内表面上，反射通过入瞳13进飞行员眼睛，使飞行员看到MICRO-AMLCD提供的显示画面。

[0036] 同时飞行员透过光学护目镜103看到周围环境，如箭头104所指。图1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结合图2给出。

[0037] 本发明的透镜布置如图2所示，采用折反射结构形式，中继透镜组102的前组10具有正光焦度包括第一中继透镜1、第二中继透镜2、第三中继透镜3及第四中继透镜4，分别采用场镜-弯月透镜-弯月透镜-双凸透镜的结构形式，第二中继透镜2和第三中继透镜3弯向数字像源9；中间组11具有负光焦度由第五中继透镜5、第六中继透镜6和第七中继透镜7组成，采用胎面镜-双凹透镜-弯月透镜的结构形式；主要校正光学护目镜103离轴象散，减轻光学护目镜103校正象散像差的压力，使光学护目镜103面型接近球面，降低了光学护目镜103位置敏感度，有利于其加工及调节；后组12具有正光焦度包括第八中继透镜8，采用双凸透镜的结构形式，主要提供系统光焦度。中继透镜组102中第一中继透镜1与第八中继透镜8采用了奇次非球面，第三中继透镜3、第四中继透镜4、第六中继透镜6采用了偶次非球面，第五中继透镜5采用了胎面非球面，所有透镜采用偏心倾斜的离轴工作方式，以最大限度地降低了像差，从而提高了画面显示清晰度。

[0038] 中继透镜组102中前组10具有正的光焦度，并将头盔佩戴者瞳孔成像在中间组11两个透镜之间，有效减小了整个光学系统的口径，前组10又称准直透镜组；中间组11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12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12就相当于一个数值孔径较大的目镜。

[0039] 表1给出了图2光学系统的构造数据，表中透镜表面曲率半径的单位取mm，正数表示凹曲面，负数表示凸曲面；透镜厚度表示透镜前后面中心间距，以mm为单位；透镜材料的折射率和阿贝数采用传统的六个数字中间用点分开的表示法，如XXX.YYY，前面三个数字表示折射率，大小为1.XXX；后面三个数字表示阿贝数，大小为YY.Y；透镜的前表面用字母F表示，后表面用字母R表示。光学护目镜103的曲率半径x方向为96.2mm，y方向为94.8mm，与后组12中的第八中继透镜后表面相距86mm；数字像源9显示屏到前组10第一中继透镜前表面1f的距离为5.6mm。

[0040] 表1本发明的中继透镜组各透镜优选实施方式的数据表

[0041]

[0042]

[0043] 本发明采用的光学护目镜103，可以满足宽波段MICRO-AMLCD数字像源9的显示要求；同时头盔显示光学系统透视显示能力通过在光学护目镜103内表面镀窄带高反膜实现。

[0044] 头盔显示光学系统的光轴14定义为中心视场主光线从MICRO-AMLCD数字像源9显示屏到光学护目镜103的光路，光轴14与护目镜各点法线夹角称为弯曲角θ，可以看出随着护目镜位置的不同，弯曲角大小发生改变，通常情况变化范围55°–60°之间。如图3及图4所示，正是由于光学护目镜103对于入射光线非对称的弯曲角，导致了复杂的非对称像差，包括与视场成二次或线性关系的像散和数值固定不变像散，以及与视场成线性关系的彗差和数值固定不变彗差。

[0045] 本发明的一个重要特征是中继光学透镜组件分为前组10、中间组11和后组12的三组透镜结构，后组12将人眼瞳孔成像光瞳组中间，有效降低了整个光学系统的口径，相当于一个望远镜；中间组11对光瞳球差和彗差进行校正，对增大瞳孔直径非常有效；前组10中继来自光瞳组的光线到MICRO-AMLCD数字像源9显示屏，起目镜作用。前组10、中间组11和后组12可以一起或单独相对于光轴14进行横向位移，使中继透镜组102中心偏离整个系统光轴14；同时前组10、中间组11和后组12也可以一起或单独相对于光轴14进行倾斜偏转，使前组10、中间组11和后组12透镜各自局域轴彼此不再平行，及各自局域轴与整个光学系统光轴14不再平行，前组10、中间组11和后组12三组透镜局域轴彼此存在一个交角；从而补偿该光学显示系统的非对称像差。即通过将中继透镜组102分成特定结构的前组10、中间组11和后组12，三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产生的离轴像差；三个组中相互独立的中继透镜组
102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(与视场成二次或线性关系的像散和数值固定不变像散)和两个彗差成分(与视场成线性关系的彗差和数值固定不变彗差)。

[0046] 该机载护目镜型头盔显示器光学系统，具有短焦距大视场角，焦距为25-30mm，出瞳为15mm，视场角达到50度；采用大相对孔径，相对孔径为2.0-2.5，提高了像平面上的光照度。

[0047] 显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。