用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜

　　1　引　言

　　头盔显示器将微小显示器的图像成像于人眼,可实现在现实视场上同时看到需要的数据(增强现实)、体验视觉图像变化时全身心投入的临场感(虚拟现实)、扩展人眼的视觉能力(微光夜视和红外夜视)等,在军事、航空航天、工业生产、娱乐和医疗等领域有广泛的应用[1~5]。目镜是头盔显示器光学系统的一个重要组成部分,用在头盔显示器中的目镜不同于固定使用的显微镜和望远镜等中的目镜。头盔显示器的目镜要求有较大的出瞳距离和出瞳直径,允许使用者佩戴眼镜或防毒面具,当使用者由于运动或其他原因而偏离光轴时,仍能看到图像。但能满足这些要求的目镜体积和质量都很大,因此要求小型化和轻量化。

　　在目镜中引入衍射光学元件是解决上述问题的较好办法。衍射光学元件可实现对光波面的任意相位调制[6,7];在改善系统成像质量、减小系统的体积和重量以及降低成本等方面具有传统光学元件无可比拟的优势[8~12]。另外,目镜元件选择光学塑料,进一步减小了重量。光学塑料元件具有重量轻、成本低、耐冲击性能好、线膨胀系数小[如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的线膨胀系数为(5 ~ 9)×10-5/℃]等优点,适合全天候工作[13]。本文设计了用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜。

　　2　折/衍混合全塑料目镜

　　目镜是目视系统的一个重要组成部分,其焦距较短,一般在15~30 mm之间,视场角较大,通常在40°左右,广角目镜视场在60°左右,有些特广角目镜视场甚至达100°。目镜的像接收器是人眼,通常人眼瞳孔的直径为2~6 mm,对于用在头盔显示器中的目镜,其出瞳直径应大于此数值,以保证使用者始终都能看到图像。为了保证使用方便,以及某些情况下使用者要佩戴防毒面具,目镜的出瞳距离应不小于20 mm。综上所述,确定目镜的设计参数有效焦距为30 mm,视场角为40°,出瞳距离和出瞳直径分别为20 mm和8 mm。

　　设计中的衍射面采用ZEMAX光学设计软件中具有旋转对称相位分布的Binary 2面型,其相位分布函数表示为[14]

　　式中r为衍射面的归一化径向坐标,x为衍射面的径向坐标,R为衍射面的标准半径;A1为二次相位系数,决定衍射面的傍轴光焦度[15]

　　此项用来校正光学系统的色差;(1)式中的A2,A3等为非球面相位系数,这些非球面项相当于非球面的作用,用于校正系统的单色像差。为简单起见,文中的衍射面相位函数只取(1)式的前两项,即

　　采用ZEMAX光学设计软件进行设计和反复优化,得到用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜,其结构如图1所示,包括三个折射透镜和一个衍射面,其中衍射面位于第二个透镜的平面处。衍射面的基底面型采用平面是为了制作上简单。透镜材料选择光学塑料PMMA,其透明性可与光学玻璃相媲美,且耐冲击强度高、非晶性好、光弹性灵敏度低,线膨胀系数小。该目镜的最大镜头直径为26 mm,总重量为7 g。