基于二元光學元件的HMD折/衍混合目鏡設計

李 林,鄭貴陽,呂鑫燚

(海軍航空大學青島校區(qū),山東青島 266041)

頭盔顯示器(Helmet Mounted Display,HMD)自20世紀60年代誕生以來,以其優(yōu)越的性能引人注目,迅速在軍用作戰(zhàn)飛機上得到廣泛應用[1-4]。光學系統(tǒng)作為HMD的重要構成部分,直接關系著HMD的整體性能。HMD的飛速發(fā)展和廣闊的應用價值對光學系統(tǒng)質(zhì)量和成像質(zhì)量方面提出了更高的要求[5-7]。

隨著光學技術的不斷進步,二元光學元件(Binary Optical Elements,BOE)在各種光學系統(tǒng)中的應用越來越廣泛,它能夠使鏡片使用量大幅降低,進而減輕HMD的質(zhì)量并使之小型化,優(yōu)化光學系統(tǒng)的結構形式,從而使費用減少[8]。

本文針對應用傳統(tǒng)Erfle目鏡的HMD光學系統(tǒng)的小型化和輕型化的發(fā)展需求,應用BOE對HMD光學系統(tǒng)進行改進,從而設計出一種用于HMD的折/衍混合目鏡,以降低系統(tǒng)質(zhì)量、提高成像質(zhì)量,最后通過實例對比,評估該改進目鏡的效果。

1 HMD光學系統(tǒng)分析

1.1 HMD光學系統(tǒng)原理

基本的HMD由圖像源及光學系統(tǒng)組成。光學系統(tǒng)的主要任務是將圖像源的圖像清晰地顯示在飛行員面前,并具有足夠大的視場,其設計不但決定成像的質(zhì)量,而且影響頭盔的體積與重量?；镜哪跨R式HMD光學系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 目鏡式HMD光學系統(tǒng)

HMD光學系統(tǒng)主要由中繼光學系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)和光學組合玻璃三部分組成,其成像原理為:從圖像源發(fā)出的各個視場光線經(jīng)中繼透鏡系統(tǒng)內(nèi)多個光學元件的折射和反射,到達人眼之前的組合玻璃,光線經(jīng)過組合玻璃的轉(zhuǎn)折后顯示在飛行員的眼前。

1.2 HMD光學系統(tǒng)設計參數(shù)

HMD光學系統(tǒng)既要保證優(yōu)良的光學成像質(zhì)量,又要兼顧重量、重心、外形布局等因素,設計過程非常復雜。HMD光學系統(tǒng)主要設計參數(shù)如圖2所示,具體包括視場、出瞳、畸變、調(diào)制傳遞函數(shù)等[9-10]。

圖2 HMD光學系統(tǒng)主要設計參數(shù)

1) 視場(Field of View, FOV):使用者通過光學系統(tǒng)可以觀測到的角度范圍。

2) 出瞳:孔徑光闌于光學系統(tǒng)的像空間內(nèi)呈現(xiàn)的像。出瞳的設計特征參數(shù)包括出瞳形狀、出瞳直徑和出瞳距離。

3) 畸變:主光線跟高斯球面相交那一點的高度與理想像高的差值。

HMD光學系統(tǒng)畸變?nèi)鐖D3所示。其中,圖3a)表示與光軸相互垂直的平面物體,其在成像質(zhì)量不佳的光學系統(tǒng)中,可能發(fā)生如圖3b)所示的枕形畸變或如圖3c)所示的桶形畸變。圖中的虛線為理想像的圖形,畸變不會影響成像清晰度,只會使系統(tǒng)成像發(fā)生失真。

圖3 HMD光學系統(tǒng)畸變示意圖

光學系統(tǒng)的畸變是由主光線的球面像差隨著視場角而變化所引起的,其求解如式(1)所示。

δy′z=y′z-y′

(1)

其中,δy′z表示畸變值;y′z表示主光線和理想像面交點的像高;y′表示理想像高。

4) 調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function, MTF):輸出像的對比度與輸入像的對比度的比值。

因而,各分系統(tǒng)的MTF可由下式進行計算

(2)

其中,M表示調(diào)制度;Imax、Imin分別表示觀察目標亮度的最大值和最小值;MTF(ν)表示該分系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值;Mi(ν)表示物體的調(diào)制度;Mo(ν)表示圖像的調(diào)制度;ν表示空間頻率,即單位長度里所含有的線條數(shù),其單位是線對/毫米(Ip/mm)。

一般情況下,整個HMD光學系統(tǒng)的MTF為各個分系統(tǒng)MTF的乘積,即

MTF光學系統(tǒng)=MTF像源×MTF中繼光學×MTF組合玻璃

(3)

1.3 HMD光學系統(tǒng)分析

從HMD光學系統(tǒng)原理分析,為使圖像源的像清晰地呈現(xiàn)在飛行員眼前,HMD光學系統(tǒng)使用了多個透鏡、棱鏡或反射鏡等光學元件。數(shù)量眾多的光學元件不僅增加了HMD的重量,還使得頭盔內(nèi)部的空間結構變得十分擁擠。

從HMD光學系統(tǒng)設計參數(shù)分析,為保證較優(yōu)的參數(shù),也會增加光學元件的使用量,進而增加整個光學系統(tǒng)的體積與重量[11-12]。

因此,在給定設計參數(shù)的前提下,要使HMD光學系統(tǒng)整體結構達到最優(yōu)化,需要對其傳統(tǒng)光學系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化設計,在保證像質(zhì)的前提下,簡化光學系統(tǒng)的結構,減輕頭盔的重量。

2 BOE應用于HMD的可行性分析

BOE是指基于光波衍射理論,利用計算機輔助設計并用超大規(guī)模集成電路制作工藝,在基片(或傳統(tǒng)光學器件表面)上刻蝕產(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕結構,形成純相位、同軸再現(xiàn)并具有高衍射效率的一類光學元件[13]。

BOE是一種比較新穎的光學元件,具有可用于HMD光學系統(tǒng)目鏡設計的優(yōu)良性能:

1) 消除色差的混雜目鏡都是以正透鏡構成,如此便能極大程度上減小透鏡的表面曲率,讓單色的像差方便修正;

2) BOE沒有匹茲伐場曲,再加上無負透鏡加入從而令折射面的曲率減小,所以場曲一定會下降;

3) BOE能夠應用在修正較大視場的圖像畸變。

將HMD光學系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光學元件用BOE替換,能夠令HMD光學系統(tǒng)擁有更加好的性能和愈加輕便的質(zhì)量。圖4為基于傳統(tǒng)折射透鏡的HMD光學系統(tǒng),圖5為基于BOE的HMD光學系統(tǒng)。

圖4 基于傳統(tǒng)折射透鏡的HMD光學系統(tǒng)

圖5 基于BOE的HMD光學系統(tǒng)

經(jīng)過分析可知,在HMD的目鏡結構中,傳統(tǒng)光學元件構成的光學折射系統(tǒng)中,因為需要增加一個負透鏡用以消色差,因此會大幅度加大正光焦度,令整個系統(tǒng)的布局變得復雜、不夠輕便。此外,消除色差時會造成表面大曲率,進而產(chǎn)生更大的畸變、球面像差,令系統(tǒng)的畸變校正過程十分繁瑣。因此,本文擬采用BOE對傳統(tǒng)HMD光學系統(tǒng)進行改進設計,以校正系統(tǒng)中的色差,從而實現(xiàn)HMD大視場與高圖像質(zhì)量的要求。

將BOE應用于HMD光學系統(tǒng),取代傳統(tǒng)元件,可以在不更改HMD光學系統(tǒng)構型的前提下,使HMD體積更小、質(zhì)量更輕、性能更優(yōu)越。

3 基于BOE的折/衍混合目鏡設計

目鏡作為HMD光學系統(tǒng)的一個關鍵部件,對HMD的體積、重量和其整體像質(zhì)有著重要的影響,所以目鏡的設計是整個HMD光學系統(tǒng)設計的關鍵。

Erfle目鏡是比較常用的傳統(tǒng)目鏡,包含兩個雙膠合透鏡跟一個雙凸透鏡,其結構如圖6所示。

為了進一步改良目鏡性能,簡化目鏡結構,本文基于BOE對其進行如下改進:

首先,以雙凸透鏡取代Erfle目鏡中距離出瞳較近的雙膠合透鏡,分別用雙凸面曲率半徑當作變量,在優(yōu)化函數(shù)里面增加有效焦距,并進行優(yōu)化。

其次,將另一個雙膠合透鏡里的正透鏡以折/衍混合單透鏡取代,把垂軸色差函數(shù)加入優(yōu)化函數(shù)里面,再對折/衍混合單透鏡衍射面的二次相位系數(shù)與球面曲率進行一定的優(yōu)化,完成消除色差與不改變有效焦距的效果。

最后,完成系統(tǒng)整體上的優(yōu)化,按照HMD光學系統(tǒng)的設計參數(shù)要求,將原目鏡優(yōu)化為眼距20 mm、出瞳直徑8 mm、焦距30 mm、視場60°的基于BOE的折/衍混合目鏡系統(tǒng)。基于BOE的折/衍混合目鏡結構如圖7所示。

圖7 基于BOE的折/衍混合目鏡結構

本文將基于BOE的折/衍混合目鏡與Erfle目鏡進行比較,兩種目鏡的參數(shù)對比如表1所示。

由表1可知,與傳統(tǒng)Erfle目鏡相比,本文設計的目鏡的口徑減小了12 mm、重量減輕了80 g,另外透鏡組的總厚度為40 mm,滿足了HMD的對于目鏡系統(tǒng)小而輕的要求。

表1 目鏡參數(shù)對比

接下來從Erfle目鏡與折/衍混合目鏡的成像質(zhì)量出發(fā),對比分析二者的調(diào)制傳遞函數(shù)、畸變和垂軸像差,如圖8、圖9和圖10所示,其中圖中a)表示Erfle目鏡相關參數(shù),圖中b)表示折/衍混合目鏡的相關參數(shù)。

在調(diào)制傳遞函數(shù)對比圖中,折/衍混合目鏡的MTF曲線值更接近于1,也比較平緩,成像質(zhì)量更好。傳統(tǒng)目鏡的最大畸變是-6.7%,優(yōu)化之后的折/衍混合目鏡為4.9%,有明顯改善。折/混合目鏡的垂軸像差曲線在縱軸方向的波動范圍相對較小,像差有所改善。

與傳統(tǒng)Erfle目鏡相比,本文設計的基于BOE的折/衍混合目鏡重量、體積等設計參數(shù)與成像質(zhì)量方面均有較大優(yōu)勢,可以在保證成像質(zhì)量的前提下,簡化光學系統(tǒng)的結構,從而減輕HMD的體積與重量。

圖8 調(diào)制傳遞函數(shù)對比

圖9 場曲和畸變對比

圖10 垂軸像差對比

4 結束語

本文針對應用傳統(tǒng)Erfle目鏡的HMD光學系統(tǒng)的小型化和輕型化的發(fā)展需求,應用BOE對HMD光學系統(tǒng)進行改進,從而設計出一種用于HMD的折/衍混合目鏡。最后通過參數(shù)與成像質(zhì)量對比,驗證了本文設計改進目鏡的實用性和有效性,對于目前在現(xiàn)代空戰(zhàn)中日益重要的HMD的發(fā)展與改進具有一定的借鑒意義。后續(xù)工作主要是從光學系統(tǒng)結構優(yōu)化出發(fā)與BOE共同作用,達到更好的改進效果。