CN103513420A - 基于全息光学元件的车载平视显示器投影准直中继光学*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于全息光学元件的准直投影中继光学***设计方法，主要应用于车载平视显示器(HUD)中。此***采用透射型全息光学元件组件设计为倒置的无穷远成像***，将图像源产生的图像变为平行光投射进入光学组合显示器部分，并可以补偿组合玻璃处产生的大部分像差。整套***像差、畸变小，具有大的离轴角和视场角，能够明显地提高成像质量。由于采用全息光学元件取代传统的折射光学元件，整套***体积小、重量轻、批量生产成本低，结构简单、装调难度低，易于在狭小的空间内安装。

Description

基于全息光学元件的车载平视显示器投影准直中继光学***

技术领域

本发明涉及到一种在平视显示器中应用的基于全息光学元件的准直投影中继光学***。 

背景技术

车载平视显示器(HUD)是应用于汽车上的驾驶辅助设备。它利用全息光栅光学反射原理，将重要的驾驶信息投射到与汽车前挡风玻璃组合在一起的全息光栅上。投射的文字和影像成像在驾驶员正前方无穷远处，驾驶员透过HUD往前方看的时候，可以直接看到HUD显示资料与外界的景象重叠在一起。降低了驾驶员低头查看仪表的频率，避免了低头与抬头之间眼睛焦距需要不断调整而产生的注意力中断以及视觉延迟与不适，减轻了驾驶疲劳，提高了驾驶安全， 

HUD主要由准直投影光学***、光栅显示器和图像产生源三部分构成。其中准直投影***是一倒置的无穷远成像***，其作用是将位于焦平面上的图像源产生的图像变为平行光束，将光点在图像源像面上的直线移动变为无穷远处的角移动。光栅显示器将准直***投影的图像投射到光栅组合显示器上。由于组合在汽车挡风玻璃上的光栅显示器常有较大的离轴角，同时要考虑消除外通道“闪烁”，这会产生很大的慧差、像散与畸变。为了补偿这部分像差，基于全息光学元件(HOE)的准直投影中继光学透镜常采用偏心、倾斜等离轴光学设计。 

在传统的准直投影光学***中大多采用普通的折射和反射光学元件，由此构成的光学***主要存在以下几点不足：(1)***光学设计复杂，光学元件要求加工精度高，加工困难；(2)普通光学元件的体积和重量比较大，这种准直投影中继光学***在车内或机舱等狭小空间内安装时，容易遮挡住进入人眼的光线，而且减少了驾驶员头部的活动范围。 

发明内容

本发明提供了一种应用于车载平视显示器中基于全息光学元件的准直投影中继光学***的设计方法，此***采用透射型全息光学组件设计为倒置的无穷远成像***，将图像源产生的图像变为平行光投射进入光栅显示器，并可以补偿光栅显示器处产生的大部分像差。 

该方法通过下述技术方案予以实现： 

(1)首先确定初始参量，选定全息组合玻璃的曲率和倾斜角，保证所需光线能够从驾驶员的眼点位置指向风挡玻璃的有效孔径，确定眼点距离、视场及出瞳孔径。然后利用普通折射光学元件设计中继透镜***，利用光学设计软件进行模拟仿真，主要是确定准直投影中继透镜组的详细参数，其中包括准直投影中继透镜中各个透镜的材料、厚度、表面定点的曲率和相对位置，为了校正像差，一些透镜或者一些表面需要有一定量的偏心和倾斜； 

(2)根据所设计的光学元件的具体参数利用Sweatt方法设计全息光学元件。分析平面全息光学元件和曲面全息光学元件的成像性质，给出两种光学元件的等效透镜模型； 

(3)根据普通光学元件在光学设计阶段的具体参数，设计不同全息光学元件的制作光路，最后利用光致聚合物材料制作所需的全息光学元件。 

由于采用了上述技术方案，本发明所提供的方法具有这样的有益效果： 

(1)利用光致聚合物材料制作的全息光学元件具有很高的衍射效率，性能稳定，受环境影响小； 

(2)整套***像差、畸变小，具有大的离轴角和视场角，能够明显地提高成像质量； 

(3)由于全息光学元件体积小、重量轻，整套***结构简单、装调难度低，易于在狭小的空间内安装； 

(4)相比普通光学元件，全息光学元件制作简单、成本低、可大批量生产。 

附图说明

图1是双目重合视场图(BIFOV)； 

图2是各视场之间的关系； 

图3是准直投影中继光学***结构图； 

图4是透射型全息光学元件的等效透镜模型，(a)是两个发散点光源的等效透镜模型；(b)是一个发散和一个会聚点光源的等效透镜模型； 

图5是球表面上的全息光学元件； 

图6是全息光学元件记录光路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。 

平视显示器主要由三部分组成：图像源、准直投影中继光学***和光栅显示器。图像源用于产生显示图像，为了增强外界的光能透过率，图像源多为单色、窄波段、高亮显示。准直投影***的作用是将图像源产生的图像变为平行光束，将光点在图像源像面上的直线移动变为无穷远处的角移动，再通过光栅显示器成像在使用者前方无穷远处，同时外部场景的光信号也可以通过光栅显示器进入人眼，其功能为一倒置的无穷远成像***， 

由于普通光学元件体积、重量较大，整个中继透镜***不易于在狭小的空间内安装，且整个***要求精度较高，给加工和成本都带来困难。而全息光学元件重量轻、体积小、成本低，而且工艺性能好，可以作为普通光学元件应用于准直投影中继光学***中，本发明旨在利用全息光学元件代替常规光学元件优化准直投影中继光学***。为了解决上述技术问题，下面从三方面进行具体描述： 

步骤1、首先利用普通光学元件设计准直投影中继光学*** 

为了保证驾驶员在车舱内能正常工作，平视显示器需要有较大的出瞳距离。同时它又是双目***，有较大的出瞳尺寸。这些因素使得平视显示器的 视场受到了限制，一般的常规平视显示器的全视场小于20°，而驾驶员需要更大视场显示。因此，扩大视场成为平视显示器设计需要解决的重要问题。 

图1表示了人眼水平方向HUD的双眼重合视场与光学***的关系。从人眼观察习惯与方便驾驶员观察的角度出发，双目重合视场应越大越好。对于中心视场应有良好的重合，以方便驾驶员得到重要的字符与图像。图中IFOV(ω₁)为瞬时视场，它与其它参数之间的关系可用下式表示： 

${\mathrm{\ω}}_1=2\mathrm{arctg}\frac{D_c}{2L}---\left(1\right)$

其中D_c为HUD光学***的有效孔径，L为人眼到透镜的距离，实际上为人眼至光学***第一有光焦度光学元件的距离。BIFOV(ω_B)为双眼重合视场，它与其它参数之间的关系可用下式表示： 

${\mathrm{\ω}}_B=2\mathrm{arctg}\frac{D_c-d_e}{2L}---\left(2\right)$

其中d_e为人眼的瞳距。 

图2为常规HUD各视场在驾驶员视线方向的截面图，由图可知，单目瞬时视场各为全视场的一部分，双目重合视场主要在全视场的中心部分。对于常规HUD，需要增大全视场与瞬时视场，增大双目重合视场，使之约等于瞬时视场。 

同时，在设计HUD的准直投影中继光学***时也要考虑以下几点： 

(1)出瞳距离出瞳距离是设计眼点到HUD光栅显示器的距离，其中视场为出瞳距离的递减函数，L越大视场越小。要扩大视场，在不改变结构的前提下，需要减小出瞳距离。但为了避免驾驶员头部碰撞组合显示器等原因，要求出瞳距离必须大于400mm。在进行HUD的***设计时，应在满足出瞳距离的条件下，尽量增大***视场。 

(2)光学元件口径增大准直***光学元件的口径可以增大视场，现有的常规HUD都是具有大口径的准直***。但是，由于HUD安装于狭小 的空间内，应用普通光学元件时不应将口径过于增大。而用全息光学元件替换时，可以适当的增大光学元件的口径。 

(3)双眼瞳距HUD为双目***，要求双眼同时通过光学***得到组合的像。由于人眼瞳距范围一般为54～70mm(人眼平均为62mm)之间，并且为了保证头部适当的移动量，在进行HUD光学设计时要保留较大的出瞳尺寸，一般要求在150mm左右。 

(4)像差在增大光学***视场的同时，要注意视场球差、像散、畸变对最终显示图像的影响，可加入复杂的光学面或增加光学元件的数目对像差进行校正。 

设计过程中需注意利用中继透镜补偿光栅显示器焦面上产生的比较复杂的图像，包括像散、场曲和图像倾斜。合理的设计光栅显示器和中级透镜的焦距，保证中继透镜的孔径光阑能够成像在驾驶员设计眼点的位置。利用光学设计软件设计的准直投影中继光学***结构如图3所示，***图像源采用LED背光的LCD投影显示器，光栅显示器采用反射型体全息光学元件，***整体参数如表1所示。 

表1 HUD***参数 

水平视场	35
		垂直视场	22
瞬时视场	约等于全视场
		眼点距离	304
光瞳尺寸	125×85
		中心分辨率	12.5lp/mm
畸变度(外通道)	0
		颜色	绿色

步骤2、根据所设计的光学元件的具体参数利用Sweatt方法设计全息光学组件 

按照Sweat等效透镜理论，对全息光学元件有以下假设： 

1)等效透镜的折射率特别大。随着折射率趋近无穷大，即n_eq→∞，该等效透镜模型就会越精确； 

2)等效透镜的厚度为零； 

3)等效透镜是一个非共轴光学***，换言之，是一个双轴光学***，主要原因是一般光学***中多数情况下使用离轴全息光学元件； 

4)一般来说，等效透镜的表面是一个旋转对称的双曲面，并且有很大的曲率半径； 

在以上假设条件下，全息光学元件可以作为普通光学透镜处理。 

1、平面透射型全息光学元件 

平面透射型全息光学元件用位于全息底板同侧的两束球面光波记录，可以是两个实点光源发出的光波，也可以是一个实点光源和一个虚点光源发出的光波。平面透射型全息光学元件等效透镜的方法主要基于下面几个方面的假设。 

1)等效透镜的折射率近似于无穷大； 

2)认为等效透镜的厚度是零； 

3)等效透镜的两个表面是笛卡儿卵形双曲面； 

4)等效透镜的曲率半径很大。 

如图4所示，两个发散点光源记录的全息光学元件可以等效为一个平凸透镜和一个平凹透镜(图4(a))，而一个发散和一个会聚点光源记录的全息光学元件可以等效为两个平凸双曲面透镜(图4(b))。一般来说，双曲面的数学表达式可以写成下面的形式： 

表面1    z²+(x-x₁)²+y²+2r₁z-e²z²＝0(3) 

表面2    z²+(x-x₂)²+y²-2r₂z-e²z²＝0(4) 

式中，e是双曲面的偏心率，并且下面的条件成立： 

e＝n(5) 

已经知道，传统几何光学中单个透镜表面焦距的计算公式是： 

r_l＝(1-n)z₁(6) 

r₂＝(1-n)z₂(7) 

利用上式可以确定等效透镜的曲率半径，将曲率半径值代入表面1和表面2的公式中，可将等效透镜的表面方程式重新写成下面的形式： 

x²+(y-y₁)²＝2(n-1)z₁z-(1-n²)z²(8) 

x²+(y-y₂)²＝(n²-1)z²-2(n-1)z₂z(9) 

令锥体常数k等于： 

k＝2-n²(10) 

于是可以最终写出下面形式的双曲面表面方程式： 

(k₁-1)²z²+(y-y₁)²+x²+2r_lz＝0(11) 

(k₂-1)z²+(y-y₂)²+x²-2r₂z＝0(12) 

根据以上推导，以及等效透镜折射率和衍射光栅方程，计算出在不同折射率条件下衍射后的方向余弦值。等效透镜的折射率取得越大，计算出的方向余弦值的精度就越接近于衍射理论得出的结果。 

2、曲面透射型全息光学元件 

首先定义曲面透射型全息光学元件是记录在一个球表面上的，并且假定球表面的中心位于点c处如图5所示。曲面全息光学元件等效透镜模型与平面全息光学元件等效透镜模型之间的最大区别是：两个等效透镜不再是平凸和平凹透镜，而是双凸等效透镜结构。如图5所示，曲面全息光学元件的等效透镜***由第一个等效透镜S₁S和第二个等效透镜SS₂组成，S表示全息光学元件的曲面底板。 

第一个薄等效透镜S₁S的光轴是 

第二个薄等效透镜SS₂的光轴是 

点光源d发出的光线经过第一个等效透镜后成像在球面中心c处。从c点发出的光线经过第二个薄等效透镜后成像在g点。在这种等效模型中，第一个 等效透镜是将一束发散的光波装换为一束会聚光波，第二个薄等效透镜是将一束会聚光波成像为另一束会聚光波，如此，完成了全息光学元件的整个成像过程。与平面透射型全息光学元件等效透镜模型一样，等效透镜的表面仍然采用笛卡儿卵形面。与平面全息光学元件不同的是，曲面全息光学元件两个等效透镜的厚度t₁和t₂必须考虑，一般是沿着各自等效薄透镜的光轴方向测量，并且由下面的公式确定： 

$(n^2-1){t_1}^2+2t_1(n-1)(r+l_1)+4r{l}_1{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)=0---\left(13\right)$

$(n^2-1){t_2}^2+2t_2(n-1)(r+l_2)+4r{l}_2{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}\right)=0---\left(14\right)$

由以上分析可知利用平面和曲面全息光学元件可以代替平凸、平凹、双凸等透镜，因此可以利用全息光学元件代替普通光学元件。 

步骤3、全息光学元件的制作 

根据步骤1中已知透镜的参数，合理设计记录光路制作全息光学元件，同时转化计算中要考虑到全息光学元件的离轴特性。下面以透射型全息透镜为例介绍一下全息光学元件的具体记录过程。 

全息光学元件由光致聚合物制成，具体记录过程如图6所示，激光器1发出的光经偏振分光棱镜3分为振动方向互相垂直的两束线偏振光，其中一束经过λ/2波片8，调整光束与波片快慢轴之间的夹角，使其振动方向偏转90°，之后光束通过偏振片9，经反射镜4、空间滤波器5、准直透镜6，最后以平行光到达全息干板7，另一束光未准直而以发散球面波到达全息干板与第一束平行光相干，记录过程中要注意调整两束光光程相等。其中电子快门2用来控制曝光时间，所用器件参数如表2所示。 

表2实验所用器件参数 

器件	参数值
		半导体激光器	波长532nm功率0-300mW
电子快门	Φ12.5
		偏振分光棱镜	Φ25.4，波长范围450-650nm
λ/2波片	Φ25.4，波长532nm
		偏振片	Φ25.4偏振比500∶1
反射镜	Φ40波长532nm
		空间滤波器	40×，3个针孔

记录完成后全息干板经紫外灯照射固化，然后在100℃的烘箱中烘烤30分钟。 

由上述实验方法所得全息光学元件的衍射效率可达90％以上，且性能稳定。其焦距f_(H)可通过下面的公式计算： 

$\frac{1}{f_{\left(H\right)}}=\frac{\mathrm{\μ}}{m}(\frac{1}{R_O}-\frac{1}{R_R})---\left(15\right)$

其中μ为波长变化比例因子，m为干涉条纹间隔在处理前后变化的比例因子，R_O为记录光路中物光半径，R_R为参考光半径。 

全息光学元件的F^#可以表示如下： 

$F^{\#}=\frac{f_{\left(H\right)}}{D}---\left(16\right)$

式中D是全息光学元件的有效孔径。 

Claims (3)

1.一种基于全息光学元件的准直投影中继光学***设计方法，其特征在于：首先选定光学全息组合玻璃的曲率和倾斜角，保证所需的光线能够从驾驶员的眼点位置指向风挡玻璃的有效孔径，确定眼点距离、视场及出瞳孔径。然后利用普通光学元件设计投影准直中继***，利用光学设计软件确定中继透镜的详细参数，包括中继透镜中各透镜的材料、厚度、表面定点的曲率和相对位置，为了校正像差，一些透镜或一些表面需要有一定量的偏心和倾斜。整套***水平视场为35°，垂直视场22°，瞬时视场约等于全视场且具有较小的像差和畸变。

2.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的准直投影中继光学***的设计方法，其特征在于：利用Sweatt分析方法，给出了平面全息光学元件和曲面全息光学元件的等效透镜模型及性能参数的具体计算公式。

3.根据权利要求1所述的一种基于全息光学元件的准直投影中继光学***的设计方法，其特征在于：采用双光路方法，根据普通透镜的具体参数设计全息光学元件的记录光路，利用光致聚合物制作透射型全息光学元件。

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