一種用于頭顯的中繼光學系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于頭顯的中繼光學系統，包括從像方到物方依次同光軸設置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡，其中，第三透鏡和第四透鏡組成膠合透鏡組；該中繼光學系統只包含六個透鏡，其中不涉及其他的設備和裝置，結構簡單和緊湊，系統整體體積較小，進而系統重量較輕，有利于整機系統的小型化設計；并且該光學系統具有大相對孔徑、寬光譜和較大視場的優點，其可靠性更高，能夠有效校正光學系統的像差，成像質量優良。
【專利說明】
一種用于頭顯的中繼光學系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于頭顯的中繼光學系統，屬于頭盔顯示器技術領域。
【背景技術】
[0002] 頭藍顯示器(HMD，Head Mounted DisPfay)是一種固定在頭藍上，為使用者產生可 視圖像的小型顯示裝置。因為頭盔顯示器系統具有引導雷達、激光、前視紅外等探測設備快 速對準目標的能力，成為各個兵種的先進裝備，這種由電子組件、顯示組件、控制器等組成 的綜合電子顯示設備，能將飛行參數、瞄準攻擊、自檢測等信息，以圖像、字符的形式，通過 光學部件投射到頭盔上顯示裝置上。頭盔顯示技術在諸多領域展示出巨大的應用價值和發 展潛力。其中，穿透式頭盔顯示一直以來都是頭盔顯示技術研究的重點。基于護目鏡成像是 目前主流的穿透式頭盔顯示技術，但是其光學系統笨重且占據著頭盔內大量空間。對于傳 統的頭盔顯示器，其中的中繼光學系統體積和重量都較大，結構復雜，無法解決系統對視 場、出瞳等要求與小型輕量化之間的矛盾。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供一種用于頭顯的中繼光學系統，用以解決傳統頭顯的中繼光 學系統體積和重量較大和結構復雜的問題。
[0004] 為實現上述目的，本發明的方案包括一種用于頭顯的中繼光學系統，包括從像方 到物方依次同光軸設置的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡， 其中，第三透鏡和第四透鏡組成膠合透鏡組；
[0005] 該光學系統的參數指標為:焦距F = 28.5mm，FN0=l，視場角為24° X19.2°，成像光 譜范圍為425nm~650nm;
[0006] 所述第一透鏡具有正的光焦度并凸向像方，所述第二透鏡具有負的光焦度并凸向 像方，所述膠合透鏡組具有負的光焦度，第五透鏡為具有正的光焦度的雙凸透鏡，第六透鏡 具有負的光焦度；
[0007] 第一透鏡和第二透鏡滿足:-1 <Fl/F2<-0.69，第三透鏡和第四透鏡滿足:-1. F3/F4彡-1，第五透鏡和第六透鏡滿足:-1彡F5/F6彡-0.4,其中，F1為第一透鏡的焦距值，F2 為第二透鏡的聚焦值，F3為第三透鏡的焦距值，F4為第四透鏡的聚焦值，F5為第五透鏡的焦 距值，F6為第六透鏡的聚焦值。
[0008] 所述第一透鏡滿足:Nd 1彡1.7，Vdl < 55;所述第二透鏡滿足:Nd2彡1.9，Vd2< 21; 所述第五透鏡滿足:Nd5多1.9，Vd5 < 32;
[0009] 其中，Ndl為第一透鏡材料的d光折射率，Vdl為第一透鏡材料的d光阿貝常數，Nd2 為第二透鏡材料的d光折射率，Vd2為第二透鏡材料的d光阿貝常數，Nd5為第五透鏡材料的d 光折射率，Vd5為第五透鏡材料的d光阿貝常數。
[0010] 所述第一透鏡靠近像方的表面為非球面，所述第二透鏡靠近物方的表面為非球 面，所述第五透鏡靠近物方的表面為非球面，所述第六透鏡靠近像方的表面為非球面。
[0011] 所述第一透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為17.49mm，所述第一透鏡靠近物方的 表面的曲率半徑為80.2_，所述第二透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為51.16_，所述第二 透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為21.66mm，所述第三透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為 17.87mm，所述第三透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為91.75mm，所述第四透鏡靠近像方的 表面的曲率半徑為91.75mm，所述第四透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為13.59mm，所述第 五透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為23.46mm，所述第五透鏡靠近物方的表面的曲率半徑 為-24.09mm，所述第六透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為-13.34mm，所述第六透鏡靠近物 方的表面的曲率半徑為無窮大。
[0012] 所述第一透鏡靠近像方的表面的中心厚度為8.9mm，所述第一透鏡靠近物方的表 面的中心厚度為3.9mm，所述第二透鏡靠近像方的表面的中心厚度為2_，所述第二透鏡靠 近物方的表面的中心厚度為1.44_，所述第三透鏡靠近像方的表面的中心厚度為4.3_，所 述第三透鏡靠近物方的表面的中心厚度為1.7mm，所述第四透鏡靠近像方的表面的中心厚 度為1.7mm，所述第四透鏡靠近物方的表面的中心厚度為3.9mm，所述第五透鏡靠近像方的 表面的中心厚度為8mm，所述第五透鏡靠近物方的表面的中心厚度為1.8mm，所述第六透鏡 靠近像方的表面的中心厚度為1.7mm，所述第六透鏡靠近物方的表面的中心厚度為2_。 [0013]所述第一透鏡材料的d光折射率為1.729，第一透鏡材料的d光阿貝常數為54.669， 第二透鏡材料的d光折射率為1.922，第二透鏡材料的d光阿貝常數為20.882，第三透鏡材料 的d光折射率為1.755，第三透鏡材料的d光阿貝常數為52.329，第四透鏡材料的d光折射率 為1.784，第四透鏡材料的d光阿貝常數為25.754，第五透鏡材料的d光折射率為1.903，第五 透鏡材料的d光阿貝常數為31.318，第六透鏡材料的d光折射率為1.664，第六透鏡材料的d 光阿貝常數為35.475。
[0014] 所述第一透鏡的口徑為21.8mmX 17.5mm，第二透鏡的口徑為20mmX 15.7mm，第三 透鏡的口徑為18mmX 14mm，第四透鏡的口徑為18_X 14mm，第五透鏡的口徑為18_X 14mm， 第六透鏡的口徑為18_X 14mm。
[0015]所述第一透鏡的材料為H-LAK52，第二透鏡的材料為H-ZF62，第三透鏡的材料為H-LAK53A，第四透鏡的材料為ZF13，第五透鏡的材料為H-LAF75A，第六透鏡的材料為ZBAF4。 [0016] 所述中繼光學系統的總長TTL為=40.4mm。
[0017] 本發明提供的中繼光學系統中，只包含六個透鏡，其中不涉及其他的設備和裝置， 結構簡單和緊湊，系統整體體積較小，進而系統重量較輕，有利于整機系統的小型化設計； 并且該光學系統具有大相對孔徑、寬光譜和較大視場的優點，其可靠性更高，能夠有效校正 光學系統的像差，成像質量優良。
【附圖說明】
[0018] 圖1是該中繼光學系統的結構示意圖；
[0019] 圖2該中繼光學系統的垂軸色差曲線圖；
[0020] 圖3該中繼光學系統的軸向色差曲線圖；
[0021]圖4該中繼光學系統的畸變曲線圖；
[0022]圖5該中繼光學系統的網格畸變曲線圖；
[0023]圖6該中繼光學系統的點列圖曲線圖；
[0024] 圖7該中繼光學系統的光學傳遞函數曲線圖；
[0025] 圖8是中繼鏡頭拼接示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0027] 本發明提供的中繼光學系統用于頭盔顯示器。如圖1中所示，像方處于該中繼光學 系統的左方，物方處于該光學系統的右方。該中繼光學系統包括從像方到物方依次同光軸 設置的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6,其 中，第三透鏡L3和第四透鏡L4組成膠合透鏡組。所以，該光學系統中，透鏡中的靠近像方的 表面為第一面，靠近物方的表面為第二面，而且，該光學系統中的透鏡的順序是按照從像方 到物方的方向依次布置的。另外，該光學系統還包括設置在第一透鏡L1的第一面(靠近像方 的表面)上的孔徑光闌（在圖1中未示出）。圖1中的flat glass相當于微顯示器。
[0028]本發明提供的光學系統的參數為:焦距F = 28.5mm，FN0=l，視場角為24° X19.2。， 成像光譜范圍為425nm~650nm〇
[0029]第一透鏡L1，選取折射率相對較高的材料，并滿足:Ndl多1.7，Vdl <55，這樣設置 有利于減小后面透鏡的口徑，形成一個第一片透鏡口徑最大的光學系統，其中，Ndl為第一 透鏡材料的d光折射率，Vd 1為第一透鏡材料的d光阿貝常數，
[0030]第二片透鏡L2的折射率較高，并滿足:Nd2彡1.9，Vd2彡21，這樣設置有利于校正整 個系統的像差，其中，Nd2為第二透鏡材料的d光折射率，Vd2為第二透鏡材料的d光阿貝常 數。
[0031]第五透鏡L5，選取折射率相對較高的材料，并滿足:Nd5多1.9，Vd5<32，這樣設置 能快速會聚前兩個負光焦度透鏡過來的光線，且高色散材料能有效的補償光學系統的色差 值，其中，Nd5為第五透鏡材料的d光折射率，Vd5為第五透鏡材料的d光阿貝常數。
[0032] 第一透鏡L1和第二透鏡L2滿足下面的條件公式：
[0033] -1彡F1/F2彡-0.69
[0034]其中F1表示的是第一透鏡L1的焦距值，F2表示的是第二透鏡L2的聚焦值，這樣設 置的原因是:如果當Fl/F2〈-0.69，第一透鏡光焦度過大，使得第一透鏡曲率半徑過小，增加 了高級像差；當Fl/F2>-1，此時進入第二透鏡元件的口徑過大，滿足不了第一片透鏡口徑最 大的使用要求。
[0035]第三透鏡L3和第四透鏡L4滿足下面的條件公式：
[0036] -1.5^F3/F4^-1
[0037]其中F3表示的是第三透鏡L3的焦距值，F4表示的是第三透鏡L4的聚焦值，這樣設 置有利于校正像差，第三透鏡L3和第四透鏡L4采用雙膠合的形式可以補償色散，校正色差。
[0038] 第五透鏡L5和第六透鏡L6滿足下面的條件公式：
[0039] -1 彡 F5/F6 彡-0.4
[0040]其中F5表示的是第五透鏡L5的焦距值，F6表示的是第六透鏡L6的聚焦值，這樣設 置的原因是:如果當F5/F6〈-l，影響遠心特性和像差特性劣化，且增加了第四透鏡L4的敏感 度；當F5/F6>-0.4,影響入射到第五透鏡L5的光線高度，從而產生高級像差，增加第五透鏡 L5的敏感度。
[0041]本實施例中，
[0042]如圖1所示，第一透鏡L1具有正的光焦度(光焦度也稱為屈光力)并凸向像方，具體 為:透鏡L1的表面1凸出，表面2凹進;第二透鏡L2具有負的光焦度并凸向像方，具體為:透鏡 L2的表面3凸出，表面4凹進;第三透鏡L3和第四透鏡L4組成的膠合透鏡組具有負的光焦度； 第五透鏡L5為具有正的光焦度的雙凸透鏡，其兩個表面8和9均凸出；第六透鏡L6具有負的 光焦度，表面10凹進，表面11為平面。
[0043] 所以，在該光學系統構造中，從像方到物方的順序，透鏡設置的順序依次為:具有 正屈光力、負屈光力、負屈光力（這里是指膠合透鏡組）、正屈光力和負屈光力，通過適當地 分配屈光力，能夠使得該光學系統緊湊。
[0044] 另外，第一透鏡L1的表面1、第二透鏡L2的表面4、第五透鏡L5的表面9及第六透鏡 L6的表面10為非球面，以改善系統的分辨率并減小畸變像差和球面像差，因此可以實現具 有優良光學特性的緊湊的光學系統。其余的表面可以是球面、非球面或者自由曲面。
[0045] 關于第二透鏡L2,在表面4處采用高次的非球面面型，第二透鏡L2出射的光以小的 角度輸出，并擴展光束在透鏡表面的口徑，從而在每個場中光束彼此不重疊，因此可以改善 像差。
[0046]由于第三透鏡L3和第四透鏡L4為膠合透鏡組，第三透鏡L3的第二面與第四透鏡L4 的第一面重合，所以，第三透鏡L3的第二面與第四透鏡L4的第一面的參數相同，同為表面6。 [0047]由像方開始，將各個透鏡的表面依次編號，表面n的曲率半徑為rn，即第一透鏡L1 的鏡面曲率為rl、r2，第二透鏡L2的鏡面曲率半徑為r3、r4，第三透鏡L3的鏡面曲率半徑為 r5，r6，第四透鏡L4的鏡面曲率半徑為r6，r7，第五透鏡L5的鏡面曲率半徑為r8，r9，第六透 鏡L6的鏡面曲率半徑為rl0，rll。
[0048] 表1給出該光學系統的其中一組具體參數。
[0049] 表 1
[0051]表1中的打號的鏡面為非球面。
[0052]非球面鏡面的公式為：
[0054]式中：Z為非球面沿光軸方向在高度為h的位置時，距非球面定點的距離矢高sag，c =1八4表示鏡面的曲率半徑汰為圓錐系數(3〇111(3 4,8，(：，04^均為高次非球面系數，而表 中系數中的E代表科學記號，比如:E_05表不10一5。
[0055] 高次非球面系數六，8，(：，04^具體見表2。
[0056]表2
[0059] 另外，第一片透鏡L1的口徑為21 ? 8mmX 17 ? 5mm，材料為H-LAK52;第二片透鏡L2的 口徑為20mm X 15 ? 7mm，材料為H-ZF62 ;第三片透鏡L3的口徑為18mm X 14mm，材料為H-LAK5 3A;第四片透鏡L4的口徑為18mm X 14mm，材料為ZF13;第五片透鏡L5的口徑為18mm X 14mm，材料為H-LAF75A;第六片透鏡L6的口徑為18mm X 14mm，材料為ZBAF4。
[0060] 圖2至圖7為該光學系統的光學性能曲線圖，圖2為垂軸色差曲線圖，采用425nm、 560nm、650nm三色光的波長來表示，單位為微米，為系統的垂軸色差，在全視場范圍內，考慮 所有的波長，最大的色差在〇 . 5視場，大小為5微米，；如果只考慮0LED的三個主波長，即 45311111、550腦、60011111，色差減小到3.5微米。圖3為軸向色差曲線圖，最大的軸向色差為40微 米，波長為420nm和650nm。圖4為畸變曲線圖，表示不同視場角情況下的畸變值，單位為％， 采用425nm、560nm、650nm三色光的波長來表示，最大的畸變值為0.8視場。圖5為網格畸變 圖，最大的網格畸變為1.01 %。圖6代表點列圖，所設計的光學系統全視場的RMS值，其中最 大的RMS直徑為邊緣視場，數值為24.6微米。圖7為光學傳遞函數，代表一個光學系統的綜合 水平，〇度視場，7.68度視場，10.86度視場MTF>0.05@53mm/lp。邊緣視場出現截止的情況，但 此系統為目視系統，人眼觀測時，并不影響實際使用。
[0061] 另外，在保證大相對孔徑的設計要求的同時盡量保證物方的遠心特性，以保證照 度的均勻性。
[0062] 本發明提供的中繼光學系統具有以下特點：相對孔徑較大，為1/1.02;視場角較 大，為24° X19.2° ;部分表面使用非球面，有利于校正像差，減小光學系統總長，總長小于或 者等于42mm;結構緊湊，有利于整機系統的小型化設計;成像光譜范圍寬，為425nm~650nm， 可得到較寬的光譜特性；寬光譜、較大視場，能夠使成像質量優良；總長TTL = 40.4mm;與現 有傳統的頭顯中的中繼光學系統相比，視場更大，眼盒更大，可靠性更高，可以有效校正光 學系統的像差，大相對孔徑和小畸變。
[0063]另外，該光學系統能夠進行拼接，如圖8所示，利用多個該中繼光學系統可用于大 出瞳顯示系統，圖8中，I為像源，即物方，n為中繼光學系統組，通過對該中繼光學系統的具 體設置，能夠使出瞳形狀為方形，且第一片透鏡口徑最大，其余透鏡口徑小于第一片透鏡口 徑，可實現在第一片透鏡處的拼接，即出瞳處的拼接，實現結構緊湊、重量輕的大出瞳準直 顯示系統。
[0064]以上給出了該光學系統的一種具體的實施方式，但本發明不局限于所描述的實施 方式。本發明的基本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教 導，設計出各種變形的模型、公式、參數并不需要花費創造性勞動，比如:各個透鏡的厚度、 大小、形狀等均可以根據具體情況進行改變。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對實 施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，包括從像方到物方依次同光軸設置的 第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡，其中，第三透鏡和第四透 鏡組成膠合透鏡組； 該光學系統的參數指標為:焦距F = 28.5mm，FN0= 1，視場角為24° X 19.2°，成像光譜范 圍為425nm ~650nm; 所述第一透鏡具有正的光焦度并凸向像方，所述第二透鏡具有負的光焦度并凸向像 方，所述膠合透鏡組具有負的光焦度，第五透鏡為具有正的光焦度的雙凸透鏡，第六透鏡具 有負的光焦度； 第一透鏡和第二透鏡滿足:-1彡F1/F2彡-0.69，第三透鏡和第四透鏡滿足:-1.5彡F3/ F4彡-1，第五透鏡和第六透鏡滿足:-1彡F5/F6彡-0.4,其中，Fl為第一透鏡的焦距值，F2為 第二透鏡的聚焦值，F3為第三透鏡的焦距值，F4為第四透鏡的聚焦值，F5為第五透鏡的焦距 值，F6為第六透鏡的聚焦值。2. 根據權利要求1所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡滿足： Ndl彡1.7，Vdl<55;所述第二透鏡滿足:M2多1.9，Vd2<21;所述第五透鏡滿足:Nd5多1.9， Vd5^32； 其中，Ndl為第一透鏡材料的d光折射率，Vdl為第一透鏡材料的d光阿貝常數，Nd2為第 二透鏡材料的d光折射率，Vd2為第二透鏡材料的d光阿貝常數，Nd5為第五透鏡材料的d光折 射率，Vd5為第五透鏡材料的d光阿貝常數。3. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡靠 近像方的表面為非球面，所述第二透鏡靠近物方的表面為非球面，所述第五透鏡靠近物方 的表面為非球面，所述第六透鏡靠近像方的表面為非球面。4. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡靠 近像方的表面的曲率半徑為17.49_，所述第一透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為80.2_， 所述第二透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為51.16mm，所述第二透鏡靠近物方的表面的曲 率半徑為21.66mm，所述第三透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為17.87mm，所述第三透鏡靠 近物方的表面的曲率半徑為91. 75mm，所述第四透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為 91.75mm，所述第四透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為13.59mm，所述第五透鏡靠近像方的 表面的曲率半徑為23.46mm，所述第五透鏡靠近物方的表面的曲率半徑為-24.09mm，所述第 六透鏡靠近像方的表面的曲率半徑為-13.34mm，所述第六透鏡靠近物方的表面的曲率半徑 為無窮大。5. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡靠 近像方的表面的中心厚度為8.9mm，所述第一透鏡靠近物方的表面的中心厚度為3.9mm，所 述第二透鏡靠近像方的表面的中心厚度為2mm，所述第二透鏡靠近物方的表面的中心厚度 為1.44mm，所述第三透鏡靠近像方的表面的中心厚度為4.3mm，所述第三透鏡靠近物方的表 面的中心厚度為1.7mm，所述第四透鏡靠近像方的表面的中心厚度為1.7_，所述第四透鏡 靠近物方的表面的中心厚度為3.9_，所述第五透鏡靠近像方的表面的中心厚度為8mm，所 述第五透鏡靠近物方的表面的中心厚度為1.8mm，所述第六透鏡靠近像方的表面的中心厚 度為1.7mm，所述第六透鏡靠近物方的表面的中心厚度為2_。6. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡材 料的d光折射率為1.729，第一透鏡材料的d光阿貝常數為54.669，第二透鏡材料的d光折射 率為1.922，第二透鏡材料的d光阿貝常數為20.882，第三透鏡材料的d光折射率為1.755，第 三透鏡材料的d光阿貝常數為52.329，第四透鏡材料的d光折射率為1.784，第四透鏡材料的 d光阿貝常數為25.754,第五透鏡材料的d光折射率為1.903,第五透鏡材料的d光阿貝常數 為31.318，第六透鏡材料的d光折射率為1.664，第六透鏡材料的d光阿貝常數為35.475。7. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡的 口徑為21.8_X 17.5_，第二透鏡的口徑為20mmX 15.7mm，第三透鏡的口徑為18_X 14mm， 第四透鏡的口徑為18mm X 14mm，第五透鏡的口徑為18mm X 14mm，第六透鏡的口徑為18mm X 14mm〇8. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述第一透鏡的 材料為H-LAK52，第二透鏡的材料為H-ZF62，第三透鏡的材料為H-LAK53A，第四透鏡的材料 為ZF13，第五透鏡的材料為H-LAF75A，第六透鏡的材料為ZBAF4。9. 根據權利要求1或2所述的用于頭顯的中繼光學系統，其特征在于，所述中繼光學系 統的總長TTL為=40.4mm。
【文檔編號】G02B27/01GK105892056SQ201610303834
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】孟冬冬, 熊鷹, 郭清源, 徐佳佳, 吳奇峰, 肖冰
【申請人】中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所