專利名稱：全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，具體是一種頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
頭盔顯示器作為一種重要的光電顯示設(shè)備，起著為飛機(jī)或坦克駕駛員、單兵、航天員等提供關(guān)鍵測控信息，提高勢態(tài)感知度的關(guān)鍵作用。頭盔顯示器，在滿足功能和可靠性的前提下，對其重量和結(jié)構(gòu)形式不斷提出新的要求，減輕重量可以降低佩戴人員的負(fù)荷，良好的結(jié)構(gòu)形式可保證頭部質(zhì)心位置，從而延緩佩戴者的疲勞程度，防止沖擊引起頸部扭傷等。傳統(tǒng)的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)為了適應(yīng)頭盔安裝，保證實現(xiàn)良好的顯示功能，對于護(hù)目鏡的曲率公差較要求緊，中繼透鏡組鏡片需要離軸和傾斜，使得中繼鏡裝配公差緊，光學(xué)畸變、離軸殘余像差較大，系統(tǒng)的出瞳和視場較小，導(dǎo)致整體設(shè)計難度大，加工和裝調(diào)周期長，成本高，光學(xué)透鏡組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量、體積較大。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種有效解決光路離軸傳輸問題、系統(tǒng)成像清晰、小畸變、系統(tǒng)的重量和體積小，并且易制造的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。本實用新型采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的:一種全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，由中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源構(gòu)成，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件，光波在經(jīng)過全息光波導(dǎo)組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導(dǎo)，同時，外部場景的光線透過全息光波導(dǎo)組件，用戶看到耦合出全息光波導(dǎo)的圖像以投影方式疊加在外部場景上。本實用新型可進(jìn)一步優(yōu)化為:全息光波導(dǎo)組件由兩個平板光波導(dǎo)組成:水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)，水平全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端分別制作一個全息反射元件:第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件:第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。第一全息反射面將中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的光線耦合進(jìn)入水平全息光波導(dǎo)，光波在水平方向傳輸，傳輸?shù)降诙⒎瓷涿鏁r，部分光被衍射出水平全息光波導(dǎo)，而零級光保持在水平全息光波導(dǎo)內(nèi)向前傳輸，每次遇到第二全息反射面則耦合出部分能量，水平全息光波導(dǎo)衍射耦合出的光能，被垂直全息光波導(dǎo)的第三全息反射面接收，耦合進(jìn)入垂直全息光波導(dǎo)，光波在垂直方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降谒娜⒎瓷涿鏁r，部分光被衍射出垂直全息光波導(dǎo)，剩余零級光保持在垂直全息光波導(dǎo)向前傳輸。本實用新型可進(jìn)一步優(yōu)化為:所述中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)選用三片透鏡結(jié)構(gòu)，中間透鏡為雙膠合透鏡，優(yōu)選的為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，兩側(cè)的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，且優(yōu)選的，三片透鏡的凸面均為偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)。[0009]更具體的，所述第一全息反射面和第三全息反射面使用一級衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零級和一級衍射效率保持不變，對其零級和一級衍射效率按公式(I)分配； 其中:n-全息光波導(dǎo)耦出效率；p 0-為零級衍射效率；p 1-一級衍射效
率；k——衍射次數(shù)；衍射次數(shù)取整:k=L/A
(2)其中:L——全息面寬度；A——光束的間隔；光束的間隔:A=2t tan 0(3)其中:△——光束的間隔；t——平板波導(dǎo)厚度；0——衍射角；衍射角:=sir.: - — (4)
2其中:0 —衍射角；d—空間周期；m—衍射級次；\ —入射光波長；i——入射角；空間周期:Cf=2sh!(f) (5)其中:入of——物光與參考光`波長;9——物光與參考光夾角;第一全息反射面和第三全息反射面使用正一級衍射，第二全息反射面和第三全息反射面使用負(fù)一級衍射，利用公式(4)、(5)結(jié)合視場角和全息光波導(dǎo)折射率確定物光與參考光的夾角，根據(jù)出瞳直徑、眼點距、視場確定第四全息反射面的尺寸，根據(jù)公式(I) (5)和視場角，結(jié)合準(zhǔn)直出射的適當(dāng)?shù)墓馐鴮挾纫约暗谌⒎瓷涿娴鸟詈闲蚀_定垂直全息光波導(dǎo)的厚度，進(jìn)而給出第二全息反射面和第三全息反射面的尺寸，同理確定水平全息光波導(dǎo)的厚度與第一全息反射面的尺寸。所述全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計指標(biāo)為:眼點距:25mm；視場角:20°X15。；圖像源:0.67英寸；4:3 ；出瞳:IOmm ;光譜范圍:495 530nm。本實用新型的優(yōu)點在于:利用全息與波導(dǎo)技術(shù)，將全息與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，有效解決光路離軸傳輸問題，保證系統(tǒng)成像質(zhì)量，滿足成像清晰，小畸變，減小了系統(tǒng)的重量和體積，從而調(diào)高系統(tǒng)的綜合性能，解決了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計與制造上難度大的問題。設(shè)計出的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng)，視場角20° X15° ,總重量小于40克，后工作距為13.5mm，最大彌散斑直徑30 iim，畸變小于0.6%，在10° X10°視場范圍內(nèi)最大彌散斑直徑小于10 iim，其中，中繼系統(tǒng)重量小于10克，中繼系統(tǒng)長35.6mm。
圖1是本實用新型全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是水平方向擴(kuò)展光全息光波導(dǎo)。[0032]圖3是垂直方向擴(kuò)展光全息光波導(dǎo)。圖4是中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖5是0° X 15° 121個視場點二維點列圖。圖6是10° X 10° 121個視場點二維點列圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)包括中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)
1、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件。全息光波導(dǎo)組件包括兩個平板光波導(dǎo):水平全息光波導(dǎo)22以及垂直全息光波導(dǎo)24。同時參閱圖2及圖3所示，水平全息光波導(dǎo)22的遠(yuǎn)離入射光42的一面的兩端分別制作一個全息反射元件:第一全息反射面222、第二全息反射面224，垂直全息光波導(dǎo)24的遠(yuǎn)離入射光52的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件:第三全息反射面242、第四全息反射面244。水平全息光波導(dǎo)22以及垂直全息光波導(dǎo)24的板面相互垂直，且第二全息反射面224平行于第三全息反射面242。第一全息反射面222將中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I準(zhǔn)直后的光線耦合進(jìn)入水平全息光波導(dǎo)22，光波44在水平方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降诙⒎瓷涿?24時，部分光被衍射出水平全息光波導(dǎo)22形成衍射出射光46，而零級光保持在水平全息光波導(dǎo)22內(nèi)向前傳輸，每次遇到第二全息反射面224則耦合出部分能量。水平全息光波導(dǎo)22的衍射出射光46被垂直全息光波導(dǎo)24的第三全息反射面242接收，作為垂直全息光波導(dǎo)24的入射光52，耦合進(jìn)入垂直全息光波導(dǎo)24,光波54在垂直方向傳輸，當(dāng)傳輸?shù)降谒娜⒎瓷涿?44時，同樣部分光被衍射出垂直全息光波導(dǎo)24形成衍射出射光56，而剩余零級光保持在垂直全息光波導(dǎo)24向前傳輸。這樣，中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I的窄光束被有效在水平及垂直兩個方向擴(kuò)展，保證系統(tǒng)具有較大的出瞳，而中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I具有較小的口徑即可，使得系統(tǒng)質(zhì)量減輕。同時，合理的設(shè)計全息反射面的空間頻率，控制零級與衍射耦出級次的能量分布，可優(yōu)化光能的利用率，結(jié)合對光波導(dǎo)厚度t和材料折射率的選擇，可以控制光波在全息光波導(dǎo)內(nèi)的反射次數(shù)、出射光束的間隔V和H，減小人眼晃動產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制效應(yīng)。以下為光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計。根據(jù)對傳統(tǒng)頭盔顯示系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)的比較，提出如下光學(xué)設(shè)計指標(biāo):目艮點距:25mm;視場角:20°X15。；圖像源:0.67 英寸；4:3 ；出瞳:IOmm ;光譜范圍:4% 53Onm ；整個系統(tǒng)采用逆向光路設(shè)計，中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I承擔(dān)整個系統(tǒng)的光焦度，請參閱圖4所示，所述中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)I選用三片透鏡結(jié)構(gòu)，中間透鏡為雙膠合透鏡，為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，以適當(dāng)補(bǔ)償全息光波導(dǎo)器件色差，兩側(cè)的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，校正高級像差，且三片透鏡的凸面均為偶次非球面，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)22。全息光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮，人眼的瞳孔直徑通常為3飛mm，因而某一視場出射光束的間隔必須小于3_，以免人眼晃動丟失視場，同時，盡可能減小同一視場出射光束的間隔V和H，均勻分配衍射能量，以減輕光強(qiáng)度調(diào)制效應(yīng)。由于進(jìn)入全息光波導(dǎo)的光為準(zhǔn)直的平行光，因而全息反射元件可以使用全息光柵的制作工藝。設(shè)計中的物光與參考光為平行光，其夾角、波長、感光材料決定全息面的空間頻率，選用He-Ne激光波長632.8nm作為全息光波導(dǎo)的構(gòu)造波長；波導(dǎo)板材質(zhì)選用高折射率材料，全反射角相對較小，可減小出射光束間隔，但系統(tǒng)質(zhì)量將增大，這里選用K9玻璃。衍射級次及能量分布，第一全息反射面222和第三全息反射面242只起到耦合光波進(jìn)入對應(yīng)的全息光波導(dǎo)的作用，為保證耦合效率，減少或避免在該面上出現(xiàn)二次衍射，只使用一級衍射，第一全息反射面222和第三全息反射面242采用高效率的全息元件，該級衍射效率能夠接近100%，保證耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)的盡可能多的能量；通過設(shè)置全息光波導(dǎo)的厚度t，第一全息反射面222和第三全息反射面242的寬度，衍射角的大小，使得光波按預(yù)定光路傳輸需要，避免在第一全息反射面222和第三全息反射面242上出現(xiàn)二次衍射。第二全息反射面224和第四全息反射面244起到光波耦合出全息光波導(dǎo)和擴(kuò)展光束的作用，為保證足夠的能量耦出效率，設(shè)在第二全息反射面224和第四全息反射面244上，每次零級和一級衍射效率保持不變，對其零級和一級衍射效率按公式(I)分配；
權(quán)利要求1.一種全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件，耦合出全息光波導(dǎo)組件的圖像以投影方式疊加在透過全息光波導(dǎo)組件的外部場景的光線上。
2.如權(quán)利要求1所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:全息光波導(dǎo)組件由兩個平板光波導(dǎo)組成:水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)，水平全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端分別制作一個全息反射元件:第一全息反射面、第二全息反射面，垂直全息光波導(dǎo)遠(yuǎn)離入射光的一面的兩端也分別制作一個全息反射元件:第三全息反射面、第四全息反射面，水平全息光波導(dǎo)以及垂直全息光波導(dǎo)的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。
3.如權(quán)利要求2所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)選用三片透鏡結(jié)構(gòu)，中間透鏡為雙膠合透鏡，兩側(cè)的第一片透鏡和第三片透鏡均為平凸透鏡，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)。
4.如權(quán)利要求3所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述中間透鏡為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，且凸面均朝向水平全息光波導(dǎo)。
5.如權(quán)利要求4所述的全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:，所述三片透鏡的凸面均為偶次非球面。
6.如權(quán)利要求1至5任一項所述的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),其特征在于:第一全息反射面和第三全息反射面使用正一級衍射，第二全息反射面和第三全息反射面使用負(fù)一級衍射，第二全息反射面和第四全息反射面上，每次零級和一級衍射效率保持不變。
7.如權(quán)利要求6所述的全息光波導(dǎo)頭藍(lán)顯不器光學(xué)系統(tǒng),其特征在于:所述全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計指標(biāo)為: 眼點距:25臟； 視場角:20° X15° ; 圖像源:0.67英寸；4:3 ； 出 瞳:10_ ； 光譜范圍:495 530nm。
專利摘要本實用新型提供一種全息光波導(dǎo)頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)，由中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、全息光波導(dǎo)組件、顯示像源構(gòu)成，顯示像源的光線經(jīng)中繼準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直，之后，耦合進(jìn)入全息光波導(dǎo)組件，光波在經(jīng)過全息光波導(dǎo)組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導(dǎo)，同時，外部場景的光線透過全息光波導(dǎo)組件，用戶看到耦合出全息光波導(dǎo)的圖像以投影方式疊加在外部場景上。本實用新型的優(yōu)點在于利用全息與波導(dǎo)技術(shù)，將全息與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，有效解決光路離軸傳輸問題，保證系統(tǒng)成像質(zhì)量，滿足成像清晰，小畸變，減小了系統(tǒng)的重量和體積，從而調(diào)高系統(tǒng)的綜合性能，解決了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計與制造上難度大的問題。
文檔編號G02B6/122GK202975475SQ201220600218
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者田永明, 張濤 申請人:中航華東光電有限公司