專利名稱：全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學系統(tǒng)，具體是一種頭盔顯示器光學系統(tǒng)。
背景技術：
頭盔顯示器作為一種重要的光電顯示設備，起著為飛機或坦克駕駛員、單兵、航天員等提供關鍵測控信息，提高勢態(tài)感知度的關鍵作用。頭盔顯示器，在滿足功能和可靠性的前提下，對其重量和結構形式不斷提出新的要求，減輕重量可以降低佩戴人員的負荷，良好的結構形式可保證頭部質心位置，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)的頭盔顯示器光學系統(tǒng)為了適應頭盔安裝，保證實現良好的顯示功能，對于護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，光學畸變、離軸殘余像差較大，系統(tǒng)的出瞳和視場較小，導致整體設計難度大，加工和裝調周期長，成本高，光學透鏡組結構復雜，質量、體積較大。
實用新型內容本實用新型要解決的技術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頭盔顯示器光學系統(tǒng)。本實用新型采用以下技術方案解決上述技術問題的:一種全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)，由中繼準直光學系統(tǒng)、全息光波導組件、顯示像源構成，顯示像源的光線經中繼準直光學系統(tǒng)準直，之后，耦合進入全息光波導組件，光波在經過全息光波導組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導，同時，外部場景的光線透過全息光波導組件，用戶看到耦合出全息光波導的圖像以投影方式疊加在外部場景上。本實用新型可進一步優(yōu)化為:全息光波導組件由兩個平板光波導組成:水平全息光波導以及垂直全息光波導，水平全息光波導遠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，垂直全息光波導遠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，水平全息光波導以及垂直全息光波導的板面相互垂直，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直光學系統(tǒng)準直后的光線耦合進入水平全息光波導，光波在水平方向傳輸，傳輸到第二全息反射面時，部分光被衍射出水平全息光波導，而零級光保持在水平全息光波導內向前傳輸，每次遇到第二全息反射面則耦合出部分能量，水平全息光波導衍射耦合出的光能，被垂直全息光波導的第三全息反射面接收，耦合進入垂直全息光波導，光波在垂直方向傳輸，當傳輸到第四全息反射面時，部分光被衍射出垂直全息光波導，剩余零級光保持在垂直全息光波導向前傳輸。本實用新型可進一步優(yōu)化為:所述中繼準直光學系統(tǒng)選用三片透鏡結構，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。[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；衍射次數取整: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一級衍射，利用公式(4)、(5)結合視場角和全息光波導折射率確定物光與參考光的夾角，根據出瞳直徑、眼點距、視場確定第四全息反射面的尺寸，根據公式(I) (5)和視場角，結合準直出射的適當的光束寬度以及第三全息反射面的耦合效率確定垂直全息光波導的厚度，進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的厚度與第一全息反射面的尺寸。所述全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)的光學設計指標為: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:利用全息與波導技術，將全息與波導技術相結合，有效解決光路離軸傳輸問題，保證系統(tǒng)成像質量，滿足成像清晰，小畸變，減小了系統(tǒng)的重量和體積，從而調高系統(tǒng)的綜合性能，解決了傳統(tǒng)光學設計與制造上難度大的問題。設計出的全息光波導頭藍顯不器光學系統(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頭盔顯示器光學系統(tǒng)的結構原理圖。圖2是水平方向擴展光全息光波導。[0032]圖3是垂直方向擴展光全息光波導。圖4是中繼準直光學系統(tǒng)的結構原理圖。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頭盔顯示器光學系統(tǒng)包括中繼準直光學系統(tǒng)
1、全息光波導組件、顯示像源，顯示像源的光線經中繼準直光學系統(tǒng)準直，之后，耦合進入全息光波導組件。全息光波導組件包括兩個平板光波導:水平全息光波導22以及垂直全息光波導24。同時參閱圖2及圖3所示，水平全息光波導22的遠離入射光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24的遠離入射光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22以及垂直全息光波導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將中繼準直光學系統(tǒng)I準直后的光線耦合進入水平全息光波導22，光波44在水平方向傳輸，當傳輸到第二全息反射面224時，部分光被衍射出水平全息光波導22形成衍射出射光46，而零級光保持在水平全息光波導22內向前傳輸，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22的衍射出射光46被垂直全息光波導24的第三全息反射面242接收，作為垂直全息光波導24的入射光52，耦合進入垂直全息光波導24,光波54在垂直方向傳輸，當傳輸到第四全息反射面244時，同樣部分光被衍射出垂直全息光波導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24向前傳輸。這樣，中繼準直光學系統(tǒng)I的窄光束被有效在水平及垂直兩個方向擴展，保證系統(tǒng)具有較大的出瞳，而中繼準直光學系統(tǒng)I具有較小的口徑即可，使得系統(tǒng)質量減輕。同時，合理的設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，結合對光波導厚度t和材料折射率的選擇，可以控制光波在全息光波導內的反射次數、出射光束的間隔V和H，減小人眼晃動產生的強度調制效應。以下為光學系統(tǒng)參數的設計。根據對傳統(tǒng)頭盔顯示系統(tǒng)設計指標的比較，提出如下光學設計指標: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)采用逆向光路設計，中繼準直光學系統(tǒng)I承擔整個系統(tǒng)的光焦度，請參閱圖4所示，所述中繼準直光學系統(tǒng)I選用三片透鏡結構，中間透鏡為雙膠合透鏡，為一平凸透鏡與一平凹透鏡膠合，以適當補償全息光波導器件色差，兩側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22。全息光波導結構設計考慮，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，以減輕光強度調制效應。由于進入全息光波導的光為準直的平行光，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作為全息光波導的構造波長；波導板材質選用高折射率材料，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只起到耦合光波進入對應的全息光波導的作用，為保證耦合效率，減少或避免在該面上出現二次衍射，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%，保證耦合進入全息光波導的盡可能多的能量；通過設置全息光波導的厚度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和擴展光束的作用，為保證足夠的能量耦出效率，設在第二全息反射面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；
權利要求1.一種全息光波導頭藍顯不器光學系統(tǒng)，其特征在于:包括中繼準直光學系統(tǒng)、全息光波導組件、顯示像源，顯示像源的光線經中繼準直光學系統(tǒng)準直后，耦合進入全息光波導組件，耦合出全息光波導組件的圖像以投影方式疊加在透過全息光波導組件的外部場景的光線上。
2.如權利要求1所述的全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)，其特征在于:全息光波導組件由兩個平板光波導組成:水平全息光波導以及垂直全息光波導，水平全息光波導遠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，垂直全息光波導遠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，水平全息光波導以及垂直全息光波導的板面相互垂直，且第二全息反射面平行于第三全息反射面。
3.如權利要求2所述的全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)，其特征在于:所述中繼準直光學系統(tǒng)選用三片透鏡結構，中間透鏡為雙膠合透鏡，兩側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。
4.如權利要求3所述的全息光波導頭盔顯示器光學系統(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。
5.如權利要求4所述的全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)，其特征在于:，所述三片透鏡的凸面均為偶次非球面。
6.如權利要求1至5任一項所述的全息光波導頭藍顯不器光學系統(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.如權利要求6所述的全息光波導頭藍顯不器光學系統(tǒng),其特征在于:所述全息光波導頭盔顯示器光學系統(tǒng)的光學設計指標為: 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頭盔顯示器光學系統(tǒng)，由中繼準直光學系統(tǒng)、全息光波導組件、顯示像源構成，顯示像源的光線經中繼準直光學系統(tǒng)準直，之后，耦合進入全息光波導組件，光波在經過全息光波導組件傳輸時，光波部分衍射出全息光波導，同時，外部場景的光線透過全息光波導組件，用戶看到耦合出全息光波導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技術，將全息與波導技術相結合，有效解決光路離軸傳輸問題，保證系統(tǒng)成像質量，滿足成像清晰，小畸變，減小了系統(tǒng)的重量和體積，從而調高系統(tǒng)的綜合性能，解決了傳統(tǒng)光學設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