專利名稱：護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)成像系統(tǒng)，涉及一種頭盔顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性能不斷提高，空對空導(dǎo)彈朝著大離軸角(±30°)方向發(fā)展，光學(xué)瞄準(zhǔn)具(視場角為10°)和平視顯示器(14°-18°)，因受其視場角的限制已不能完全滿足武器匹配的需要。因此，不受其視場角限制的頭盔瞄準(zhǔn)具和頭盔顯示器已受到世界各國的重視，并相繼發(fā)展成為頭盔瞄準(zhǔn)系統(tǒng)而成為航空火力控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分?，F(xiàn)代的頭盔顯示器根據(jù)需要，可以設(shè)計(jì)成護(hù)目型和透視型。護(hù)目型頭盔顯示器是將顯示器的圖像經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，成放大虛擬圖像，人眼只能看到顯示器上的圖案或信號成的虛像；而透視型頭盔顯示器是將經(jīng)過放大的虛像投射到人眼前，疊加到現(xiàn)實(shí)的外界環(huán)境上，人眼可以同時(shí)觀看顯示器和外界景色。隨著軍事現(xiàn)代化的快速發(fā)展，頭盔顯示器在軍事上(比如單兵作戰(zhàn)和武裝直升機(jī))占有越來越重要的作用，特別是八十年代前蘇聯(lián)研制出具備離軸發(fā)射能力R-73空對空導(dǎo)彈，并配備了頭盔顯示器后，世界各國都加大了對頭盔顯示器的研究力度。美國當(dāng)時(shí)由于沒有離軸發(fā)射能力的導(dǎo)彈和擔(dān)心頭盔顯示器對駕駛員的負(fù)面影響，曾持觀望態(tài)度。但是隨著頭盔顯示器的重要性逐漸被認(rèn)識到，美國也積極開展了這方面的研究工作，并利用其技術(shù)上的優(yōu)勢，后來居上，并在眾多項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，并有望在未來幾年內(nèi)裝備到F/A-18、F/A-15、F/A-16等飛機(jī)上。而中國目前還沒有這方面的產(chǎn)品。由于頭盔顯示器戴在駕駛員頭上，如果太重或重心設(shè)計(jì)的不好，就會使駕駛員的頸部在大過載機(jī)動或彈射時(shí)受傷?，F(xiàn)在頭盔顯示器一般都使用CRT作為圖像源，而CRT有體積大、質(zhì)量大、易碎等缺點(diǎn)；傳統(tǒng)的護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)，包括目鏡和CRT顯示器；其中目鏡一般都采用Erfle目鏡，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括雙膠合透鏡組1-1、透鏡1-2和雙膠合透鏡組1-3、孔徑光闌1-4、像面1-5。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)中使用CRT作為圖像源，它有體積大、易碎、質(zhì)量大、分辨率低、視場較小和且有高壓連接等問題，而且與之相匹配的目鏡視場也較小，為了解決傳統(tǒng)護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)視場小，質(zhì)量大、且有高壓給使用者帶來危險(xiǎn)和使用不方便的問題，本發(fā)明的目的是將要提出一種大視場、質(zhì)量輕、使用安全并方便的護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、透鏡組、孔徑光闌和顯示器，沿著光線傳播方向依次放置孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、透鏡組和顯示器；孔徑光闌的出光面與第一透鏡的輸入面有一定距離且相對放置；第一透鏡的輸出面與第二透鏡的輸入面相對放置；第二透鏡的輸出面與第三透鏡的輸入面相對放置；第三透鏡的輸出面與透鏡組的輸入面相對放置；透鏡組的輸出面與顯示器的輸入面相對放置。
本發(fā)明工作時(shí)，顯示器的光信息通過透鏡組、第三透鏡、第二透鏡、第一透鏡、孔徑光闌在光信息傳播的反方向處呈現(xiàn)大屏幕圖像。
本發(fā)明的護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)采用OLED或AMLCD作為圖像源，它有體積小、質(zhì)量輕、分辨率高、視場較大和且無高壓連接，與之相匹配的目鏡系統(tǒng)的體積也小，質(zhì)量輕，例如根據(jù)OLED微顯示器設(shè)計(jì)出瞳直徑為6mm、眼點(diǎn)距為20mm和全視場為50°護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)。對于本發(fā)明，要求具有大出瞳直徑和大眼點(diǎn)距的目鏡，而且還要求具有小尺寸、高像素的微顯示器；上述小尺寸、高像素的一般要求采用短焦距的光學(xué)系統(tǒng)，而大出瞳直徑和大眼點(diǎn)距的目鏡一般要求采用長焦距的光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)要采用小尺寸、高像素的微顯示器，同時(shí)具有大出瞳直徑和大眼點(diǎn)距的目鏡，必然會導(dǎo)致很大的入射角和投射高，從而引起很大的高級像差，所以本發(fā)明采用的結(jié)構(gòu)特殊之處在于用第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡三個(gè)透鏡來壓縮光線，第一透鏡和第五透鏡來平衡由于第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡產(chǎn)生的像差，特別是場曲、球差、色差；第一透鏡和第五透鏡的兩個(gè)彎曲面產(chǎn)生一定的正場曲以平衡其他透鏡產(chǎn)生的負(fù)場曲；第一透鏡和第五透鏡還用來產(chǎn)生正色差來平衡正透鏡即第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡產(chǎn)生負(fù)色差；從而獲得大出瞳直徑、大眼點(diǎn)距和大視場的目鏡系統(tǒng)；結(jié)合上述的OLED微顯示器和目鏡系統(tǒng)，就使得組合而成的護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)視場大、質(zhì)量輕、體積小、使用安全并方便。


圖1是傳統(tǒng)的Erfle目鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明的一種實(shí)施例中透鏡組4的示意4A、4B、4C、4D、4E是本發(fā)明一種實(shí)施例的像質(zhì)分析圖
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖2，對本發(fā)明的實(shí)施做進(jìn)一步說明一種實(shí)施例包括第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、透鏡組4、孔徑光闌5和顯示器6。本發(fā)明工作波段為可見光波段，設(shè)計(jì)時(shí)采用0.656μm的C光、0.587μm的D光、0.486μm的F光；目鏡的出瞳直徑為6mm，全視場角為50°(40°×30°)，出瞳距為20mm；系統(tǒng)總長60mm-75mm(包括出瞳距)。
采用反向設(shè)計(jì)，即從-2米遠(yuǎn)的虛擬圖像(由于太遠(yuǎn)，在圖中沒有畫出)開始，以全視場角50°到達(dá)孔徑光闌5，再從孔徑光闌5按正方向(往右方向)傳播，經(jīng)過第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3和透鏡組4，到達(dá)顯示器6。其中孔徑光闌5代表人眼，孔徑光闌5可采用直徑為6mm的孔徑光闌，孔徑光闌5的出光面與第一透鏡1的輸入面有20mm距離且相對放置；第一透鏡1采用彎月形凹透鏡或平凸透鏡，第一透鏡1的輸出面與第二透鏡2的輸入面有0.2mm-0.3mm的距離并相對放置；第二透鏡2采用彎月形凹透鏡或雙凸透鏡，第二透鏡2的輸出面與第三透鏡3的輸入面有0.2mm-0.3mm的距離并相對放置；第三透鏡3采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第三透鏡3的輸出面與透鏡組4的輸入面有0.2mm-0.3mm的距離并相對放置；透鏡組4含有第四透鏡7、第五透鏡8、第六透鏡9；第四透鏡7采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第四透鏡7的輸出面與第五透鏡8的輸入面膠合；第五透鏡8采用雙凹透鏡或彎月形凸透鏡，第五透鏡8的輸出面與第六透鏡9的輸入面膠合；第六透鏡9采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡。透鏡組4的輸出面與顯示器6的輸入面有1.6mm-3.3mm的距離并相對放置，顯示器6采用采用有機(jī)電致發(fā)光二極管OLED，尺寸為12mm×9mm、全彩、分辨率為800(×3)600、亮度＞70cd/m2、帶有RGB接口，可直接與計(jì)算機(jī)連接，顯示器6還可采用液晶顯示器AMLCD。
第二透鏡2、第三透鏡3和第四透鏡7的折射率選擇為1.6-1.8、阿貝數(shù)為50-65的冕牌玻璃。第一透鏡1和第五透鏡8的折射率選擇為1.6-2.0、阿貝數(shù)為20-40的重火石玻璃。第六透鏡9折射率選擇為1.6-1.8，阿貝數(shù)為50-65的冕牌玻璃。
第一透鏡1可采用ZF14、ZF13、ZF7、ZLAF3或ZLAF2等重火石玻璃；第二透鏡2可采用LAK12、LAK10、LAK8、ZK14或LAK7等冕牌玻璃；第三透鏡3可采用LAK12、LAK10、LAK8、ZK14或LAK7等冕牌玻璃；第四透鏡7可采用LAK12、LAK8、ZK14、LAK10或LAK7等冕牌玻璃；第五透鏡8可采用ZF14、ZF13、ZF7、ZLAF3或ZLAF2等重火石玻璃；第六透鏡9可采用LAK4、ZK14、ZK9、ZBAF1或LAK21等冕牌玻璃。
本發(fā)明設(shè)計(jì)時(shí)，按虛擬圖象到眼睛，再到顯示器方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，所用的透鏡全部采用球面鏡；第二透鏡2、第三透鏡3用來壓縮光線，為了不產(chǎn)生過大高級像差，采用高折射率低色散的冕牌玻璃，同時(shí)為了有利于減小場曲，應(yīng)讓兩透鏡之間盡量進(jìn)行密接，這樣也有利于減小斜光束在第三透鏡3上的投射高。采用高折射率高色散的玻璃，形狀采用彎月形負(fù)透鏡，以便補(bǔ)償?shù)诙哥R2、第三透鏡3和第四透鏡7產(chǎn)生的色差；同時(shí)產(chǎn)生正場曲，抵消系統(tǒng)后面負(fù)場曲。透鏡組4采用三膠合透鏡組，第四透鏡7也用來壓縮光線；第五透鏡8用來產(chǎn)生正色差和正場曲，用來補(bǔ)償?shù)诙哥R2、第三透鏡3和第四透鏡7產(chǎn)生的負(fù)色差和負(fù)場曲；第六透鏡9用來平緩輸出光線。在整個(gè)設(shè)計(jì)開始階段，即設(shè)計(jì)第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3時(shí)應(yīng)使當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的彗差和像散達(dá)到最小。
圖4A、4B、4C、4D、4E是本發(fā)明的像質(zhì)分析圖，其中圖4A為垂軸像差、圖4B為軸向像差、圖4C為垂軸色差、圖4D為光學(xué)傳遞函數(shù)、圖4E為波前差。目鏡系統(tǒng)全視場為50°(40°×30°)，設(shè)計(jì)時(shí)目鏡系統(tǒng)全視場的比例尺可分為0、0.5、0.7、0.85、1五個(gè)視場；子午和弧矢方向?qū)?yīng)顯示器按4∶3設(shè)計(jì)，具體的視場分別為視場1子午0.00度、弧矢0.00度，視場2子午10.00度、弧矢7.50度，視場3子午14.00度、弧矢10.50度，視場4子午17.00度、弧矢12.75度，視場5子午20.00度、弧矢15.00度；圖中除了標(biāo)出或經(jīng)過說明外的其它單位均為mm。圖4A中，共有10個(gè)圖，分五個(gè)視場；每個(gè)視場的第一個(gè)圖為子午方向，第二個(gè)圖為弧矢方向；圖中橫坐標(biāo)代表孔徑光闌5的口徑，最大尺寸為3mm；縱坐標(biāo)代表像差大小，最大尺寸為50μm；圖4B為軸向像差；圖中橫坐標(biāo)代表軸向像差大??；縱坐標(biāo)代表孔徑光闌5口徑，最大尺寸3mm；圖4C為垂軸色差，圖中橫坐標(biāo)代表垂軸色差大小，單位為μm；縱坐標(biāo)代表視場，單位為度，最大半視場為25度；圖中兩個(gè)垂軸線代表衍射斑的大小。圖4D為光學(xué)傳遞函數(shù)，圖中橫坐標(biāo)代表空間線對數(shù)(單位線對/mm)；縱坐標(biāo)代表MTF值，每格為0.1；圖中每個(gè)視場的MTF曲線中前一個(gè)為子午方向的MTF，后一個(gè)為弧矢方向的MTF。圖4E為波前差，表示D光在視場1的波前差為0.45個(gè)D光波長。
權(quán)利要求
1.護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于包括有第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、透鏡組(4)、孔徑光闌(5)和顯示器(6)，沿著光線傳播方向依次放置孔徑光闌(5)、第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、透鏡組(4)和顯示器(6)；孔徑光闌(5)的出光面與第一透鏡(1)的輸入面有一定距離且相對放置；第一透鏡(1)采用彎月形凹透鏡或平凸透鏡，第一透鏡(1)的輸出面與第二透鏡(2)的輸入面相對放置；第二透鏡(2)采用彎月形凹透鏡或雙凸透鏡，第二透鏡(2)的輸出面與第三透鏡(3)的輸入面相對放置；第三透鏡(3)采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第三透鏡(3)的輸出面與透鏡組(4)的輸入面相對放置；透鏡組(4)的輸出面與顯示器(6)的輸入面相對放置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于，透鏡組(4)含有第四透鏡(7)、第五透鏡(8)、第六透鏡(9)；第四透鏡(7)采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡，第四透鏡(7)的輸出面與第五透鏡(8)的輸入面膠合；第五透鏡(8)采用雙凹透鏡或彎月形凸透鏡，第五透鏡(8)的輸出面與第六透鏡(9)的輸入面膠合；第六透鏡(9)采用雙凸透鏡或彎月形凸透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)，其特征在于，第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、第四透鏡(7)和第六透鏡(9)的折射率選擇為1.6-1.8、阿貝數(shù)為50-65的冕牌玻璃；第一透鏡(1)和第五透鏡(8)的折射率選擇為1.6-2.0、阿貝數(shù)為20-40的重火石玻璃。
全文摘要
本發(fā)明屬于護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)，包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、透鏡組和顯示器，采用OLED或AMLCD作為圖像源，它有體積小、質(zhì)量輕、分辨率高、視場較大和且無高壓連接，與之相匹配的目鏡系統(tǒng)的體積小，質(zhì)量輕；當(dāng)采用小尺寸、高像素的微顯示器，同時(shí)具有大出瞳直徑和大眼點(diǎn)距的目鏡，必然會導(dǎo)致很大的入射角和投射高，從而引起很大的高級像差，本發(fā)明用第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡來壓縮光線，第一透鏡和第五透鏡來平衡由于第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡產(chǎn)生的像差，從而獲得大出瞳直徑、大眼點(diǎn)距和大視場的目鏡系統(tǒng)；上述的顯示器和目鏡組合成護(hù)目型頭盔顯示系統(tǒng)視場大、質(zhì)量輕、體積小、使用安全并方便。
文檔編號G02B11/00GK1896798SQ20051001718
公開日2007年1月17日 申請日期2005年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月12日
發(fā)明者孫強(qiáng), 葛振杰 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所