CN102928980A - 基于防毒面具的折反式头盔显示器的光学*** - Google Patents

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本发明公开了一种防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：采用一个超环面反射镜以及中继***组成，反射镜有超环面，光线从微型显示屏发出，依次经过中继***、反射镜，最后进行人眼瞳孔处。本发明的优点在于：***体积小、重量轻，由于反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零，且反射面镀窄带高反膜，可实现双通道显示，由于采用双通道方式显示，整个头盔显示器对视野的阻挡极小，并且观看时人眼可以不需要偏转角度，提高舒适性。

Description

基于防毒面具的折反式头盔显示器的光学***
技术领域
本发明涉及光学***，具体是一种头盔显示器的光学***。
背景技术
头盔显示器（Head Mounted Display）简称HMD分为半投型与全投型，它能将小型二维显示器所产生的图像经由光学***放大，将准直图像显示到无穷远或是足够远的地方，成几米之外数十米的屏幕效果。由于头戴显示装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。随着观察视场的增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像。对于头戴显示器***而言，大视场也是相当重要的。光学***的视场、出瞳直径，焦距三者之间是相互制约的关系，同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。
1968年世界上第一个真正意义上的头盔显示器为军用头盔显示器，即美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland 开发的“达摩克里斯之剑”头盔显示器。原先主要为战机和战车驾驶员配备，而现在，无论是战斗机、直升机还是单兵所戴的头盔不单是保护装置，飞速发展的科技技术将多种功能凝聚在头盔里，使其成为帮助使用者操纵飞机、瞄准、获取地图信息等设备的得力助手，是使用者与其武器、基地之间的重要纽带。另外，民用头盔显示器在虚拟技术应用***中的地位也十分重要。由于显示***是安装在头盔上的，因此对重量及体积要求非常高，另外如果是单兵使用，则对可靠性提出更严格的要求。尽管国标和国军标没有对光学***的出瞳距没有确切的要求，但《GJB_1323-1991_光学观测仪器通用规范》的3.2.3.4指出：根据产品的用途确定出瞳距离或眼点距离，保护操作人员眼睛不被撞伤，且在戴上防毒面具时亦能观察。
头盔显示器（HMD）就如便携式显示器，它能使人手得到解放。在危险的核生化（NBC）现场，士兵或工程人员通常要携带专业设备、维修工具、武器，或者要背负伤员，或者需要攀爬等，而又要经常与外界进行视频通信，此时双手的解放具有非常大的意义。另外，NBC现场的环境比较恶劣、复杂，通常还伴随着浓烟、浓雾，工作人员的视线受到阻碍，对维修 工作与搜救工作带来困难。如果给HMD配备热成像仪、夜视摄像头等成像设备，能大大提高工作人员的工作效率，降低其危险程度。
发表在《IFAWC2006,Mobile Research Center,TZI UniversityBremen.Germany》（德国不来梅大学奥兹移动研究中心IFAWC2006）上的文章《Head Mounted Display for Fire Fighters》（消防员佩戴的显示器），为针对消防员设计的HMD***，也涉及了NBC操作员的HMD***，这种HMD为全投式的，其只有单通道，不能同时观看外界信息。而且其为了减小阻挡视线，HMD的零视场主光线与人眼正前方视线方向偏角很多，人眼在观看时需要转动很大角度，长时间观看会非常疲劳。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是针对现在技术的不足，提供一种基于防毒面具的头盔显示器的光学***，其具有双通道，能有效校正像差提高像质具备最佳人机功效。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：本发明的防毒面具头盔显示器的二元光学***采用一个超环面反射镜以及中继***组成，反射镜有超环面，对微型显示屏的中心波长具有高的反射率，其他波长的光束能量以透射为主，这样即可达到双通道的目的。由于防毒面具的可用空间比较小，其他设计的反射镜置于人眼正前方视线方向偏下位置，而本发明的反射镜置于人眼正前方视线方向偏下位置，中继***及微型显示屏置于人头的侧面。
优选的，所述的反射镜镀有窄带高反膜，对微型显示屏的的中心波长具有高的反射率，其他波长的光束能量以透射为主。所述窄带高反膜对494-544nm波段的光的反射率大于70%，其它可见光波段的透过率大于90%。
更优选的，所述的反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零，以达到折转光轴的目的。
优选的，本发明中的微型显示屏使用OLED微型显示屏，出射光为单波长。
优选的，所述的中继***由四片透镜组成，至少两片机械轴均相互倾斜与偏心，最优的，四片透镜的机械轴均相互倾斜与偏心，以补偿反射镜的离轴像差，微型显示屏也需要相对于光轴进行倾斜旋转，即所述的微型显示屏的机械轴与光轴的夹角不为零。
上述中继***的四片透镜中有一片为胶合镜，胶合镜的目的为校正一定的色差。
上述中继***内依次包括：负透镜、第一正透镜、胶合镜，以及第二正透镜，光线从微型显示屏发出后进入负透镜，并从第二正透镜进入反射镜，第二正透镜靠近反射镜的一面为平面，方便封装，负透镜、第一正透镜和胶合镜均是平面作为入射面。
优选的，上述的胶合镜由两种不同材料组成。
光线从微型显示屏发出，依次经过中继***、反射镜，最后进行人眼瞳孔处。从微型显示屏发的光线经过中继***后，形成一中间像，该中间像由于中继***的偏心倾斜而具有一定的离轴像差；光线进入反射镜，中继***产生的离轴像差与反射镜产生的离轴像差相互补偿，每个视场的光线被反射镜准直后变成平形光，交汇于人眼瞳孔处。
当像面位于无穷远时，头盔显示器的角分辨率为：
θ = min [ 2 tg ω 2 m , 2 tg v 2 n ]
式中:ω、v 分别为垂直和水平方向的全视场角; m 、n分别是图像源有效显示面(方形4∶3) 上的水平和垂直方向的像素数。若选择图像源水平和垂直方向的像素数为800×600 ，像素间距为2.4μm。由上式计算得到***对应的角分辨率为0. 7 7mrad，接近人眼的最小分辨率0. 5 mrad。若把头盔显示器光学***的有效焦距设计为36.3 mm ，此时角分辨率相匹配的光学***的空间频率应达到30 lp/mm。
则光学***设计输入如表1所示：
表1 光学设计输入
有效焦距 约36.3mm
视场角 25°
出瞳距 40mm
出瞳直径 8mm
波长 494~544nm，峰值525mm
分辨率 30 lp/ mm时各视场均大于0.3
亮度非均匀性 ≤20%
畸变 ≤5%
本发明的优点在于：
1.由于采用超环面的反射镜，中继***的口径可以大大减小，因此本发明的***具有体积小、重量轻的优点。
2.由于反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角不为零，且反射镀窄带高反膜，可实现双通道显示。
3.由于采用双通道方式显示，整个头盔显示器对视野的阻挡极小。
4.由于采用双通道方式显示，观看时人眼可以不用偏转太多角度，提高舒适性。
附图说明
图1为本发明的光学***二维图。
图2为本发明光学***的MTF图。
具体实施方式
现有防毒面具的头盔显示器只有单通道，不能同时观看外界信息。而且其为了减小阻挡视线，HMD的零视场主光线与人眼正前方视线方向偏角很多，人眼在观看时需要转动很大角度，长时间观看会非常疲劳。
图1为本发明的光学***二维图，光线从OLED微型显示屏41发出，依次经过中继***30、反射镜20，最后进行人眼瞳孔处。从OLED微型显示屏41发的光线经过中继***30后，形成一中间像，该中间像由于中继***30的偏心倾斜而具有一定的离轴像差；光线进入反射镜20，中继***30产生的离轴像差与反射镜20产生的离轴像差相互补偿，每个视场的光线被反射镜20准直后变成平形光，交汇于人眼瞳孔10处。中继***30内包括：镜片31为正透镜，其靠近反射镜20的一面为平面，方便封装；镜片32为胶合镜，由两种不同材料组成；镜片33为正透镜；镜片34为负透镜，其靠近OLED微型显示屏的一面为平面，方便封装。
目前应用于头盔显示器的小型平板显示器，包括有机电致发光显示器（OLED）和液晶显示器（LCD）。由于液晶显示器显示时需要背光，而且在零度以下工作时还需要增加温控电路，导致显示器功耗和体积增大，因此本实施例选择OLED为显示屏，其详细参数如表2：
表2  OLED屏参数
有效显示面积 12.8mm×9.6mm
分辨率 852×600
显示亮度 1500cd/m2
对比度 不低于300:1
灰度等级   256
工作温度 -40℃～+65℃
半谱宽度 50nm(494nm-544nm)
光学详细参数如表3所示：
表3 光学结构参数
Figure BDA0000240483342
图2为本发明光学***的MTF图，由图2中可见在各个视场的MTF在30lp/mm时均达到0.3以上，满足设计要求。
本发明的光学***的反射镜置于人眼正前方视线方向偏下位置，中继***及微型显示屏置于人头的侧面。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：采用一个超环面反射镜以及中继***组成，反射镜有超环面，光线从微型显示屏发出，依次经过中继***、反射镜，最后进行人眼瞳孔处。
2.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述的反射镜镀有窄带高反膜，对微型显示屏的的中心波长具有高的反射率，其他波长的光束能量以透射为主。
3.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述的反射镜的机械轴与零视场的主光线的倾角为零。
4.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述微型显示屏使用OLED微型显示屏，出射光为单波长。
5.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述的中继***由四片透镜组成，至少两片机械轴均相互倾斜与偏心。
6.如权利要求5所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述四片透镜的机械轴均相互倾斜与偏心，所述的微型显示屏的机械轴与光轴的夹角不为零。
7.如权利要求5或6所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述中继***的四片透镜中有一片为胶合镜。
8.如权利要求7所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述中继***内依次包括：负透镜、第一正透镜、胶合镜，以及第二正透镜，光线从微型显示屏发出后进入负透镜，并从第二正透镜进入反射镜，第二正透镜靠近反射镜的一面为平面，负透镜、第一正透镜和胶合镜均是平面作为入射面。
9.如权利要求7所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述胶合镜由两种不同材料组成。
10.如权利要求1所述的防毒面具头盔显示器的二元光学***，其特征在于：所述光学***的设计输入如下：
有效焦距：36.3mm；视场角：25°；出瞳距：40mm；出瞳直径：8mm；波长：494~544nm；分辨率：30 lp/ mm时各视场均大于0.3；亮度非均匀性：≤20%；畸变：≤5%。
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