基于二元光学元件的HMD折/衍混合目镜设计
2019-10-14郑贵阳吕鑫燚
李 林,郑贵阳,吕鑫燚
(海军航空大学青岛校区,山东青岛 266041)
头盔显示器(Helmet Mounted Display,HMD)自20世纪60年代诞生以来,以其优越的性能引人注目,迅速在军用作战飞机上得到广泛应用[1-4]。光学系统作为HMD的重要构成部分,直接关系着HMD的整体性能。HMD的飞速发展和广阔的应用价值对光学系统质量和成像质量方面提出了更高的要求[5-7]。
随着光学技术的不断进步,二元光学元件(Binary Optical Elements,BOE)在各种光学系统中的应用越来越广泛,它能够使镜片使用量大幅降低,进而减轻HMD的质量并使之小型化,优化光学系统的结构形式,从而使费用减少[8]。
本文针对应用传统Erfle目镜的HMD光学系统的小型化和轻型化的发展需求,应用BOE对HMD光学系统进行改进,从而设计出一种用于HMD的折/衍混合目镜,以降低系统质量、提高成像质量,最后通过实例对比,评估该改进目镜的效果。
1 HMD光学系统分析
1.1 HMD光学系统原理
基本的HMD由图像源及光学系统组成。光学系统的主要任务是将图像源的图像清晰地显示在飞行员面前,并具有足够大的视场,其设计不但决定成像的质量,而且影响头盔的体积与重量。基本的目镜式HMD光学系统如图1所示。
图1 目镜式HMD光学系统
HMD光学系统主要由中继光学系统、目镜系统和光学组合玻璃三部分组成,其成像原理为:从图像源发出的各个视场光线经中继透镜系统内多个光学元件的折射和反射,到达人眼之前的组合玻璃,光线经过组合玻璃的转折后显示在飞行员的眼前。
1.2 HMD光学系统设计参数
HMD光学系统既要保证优良的光学成像质量,又要兼顾重量、重心、外形布局等因素,设计过程非常复杂。HMD光学系统主要设计参数如图2所示,具体包括视场、出瞳、畸变、调制传递函数等[9-10]。
图2 HMD光学系统主要设计参数
1) 视场(Field of View, FOV):使用者通过光学系统可以观测到的角度范围。
2) 出瞳:孔径光阑于光学系统的像空间内呈现的像。出瞳的设计特征参数包括出瞳形状、出瞳直径和出瞳距离。
3) 畸变:主光线跟高斯球面相交那一点的高度与理想像高的差值。
HMD光学系统畸变如图3所示。其中,图3a)表示与光轴相互垂直的平面物体,其在成像质量不佳的光学系统中,可能发生如图3b)所示的枕形畸变或如图3c)所示的桶形畸变。图中的虚线为理想像的图形,畸变不会影响成像清晰度,只会使系统成像发生失真。
图3 HMD光学系统畸变示意图
光学系统的畸变是由主光线的球面像差随着视场角而变化所引起的,其求解如式(1)所示。
δy′z=y′z-y′
(1)
其中,δy′z表示畸变值;y′z表示主光线和理想像面交点的像高;y′表示理想像高。
4) 调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF):输出像的对比度与输入像的对比度的比值。
因而,各分系统的MTF可由下式进行计算
(2)
其中,M表示调制度;Imax、Imin分别表示观察目标亮度的最大值和最小值;MTF(ν)表示该分系统的调制传递函数值;Mi(ν)表示物体的调制度;Mo(ν)表示图像的调制度;ν表示空间频率,即单位长度里所含有的线条数,其单位是线对/毫米(Ip/mm)。
一般情况下,整个HMD光学系统的MTF为各个分系统MTF的乘积,即
MTF光学系统=MTF像源×MTF中继光学×MTF组合玻璃
(3)
1.3 HMD光学系统分析
从HMD光学系统原理分析,为使图像源的像清晰地呈现在飞行员眼前,HMD光学系统使用了多个透镜、棱镜或反射镜等光学元件。数量众多的光学元件不仅增加了HMD的重量,还使得头盔内部的空间结构变得十分拥挤。
从HMD光学系统设计参数分析,为保证较优的参数,也会增加光学元件的使用量,进而增加整个光学系统的体积与重量[11-12]。
因此,在给定设计参数的前提下,要使HMD光学系统整体结构达到最优化,需要对其传统光学系统进行进一步的优化设计,在保证像质的前提下,简化光学系统的结构,减轻头盔的重量。
2 BOE应用于HMD的可行性分析
BOE是指基于光波衍射理论,利用计算机辅助设计并用超大规模集成电路制作工艺,在基片(或传统光学器件表面)上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成纯相位、同轴再现并具有高衍射效率的一类光学元件[13]。
BOE是一种比较新颖的光学元件,具有可用于HMD光学系统目镜设计的优良性能:
1) 消除色差的混杂目镜都是以正透镜构成,如此便能极大程度上减小透镜的表面曲率,让单色的像差方便修正;
2) BOE没有匹兹伐场曲,再加上无负透镜加入从而令折射面的曲率减小,所以场曲一定会下降;
3) BOE能够应用在修正较大视场的图像畸变。
将HMD光学系统中的传统光学元件用BOE替换,能够令HMD光学系统拥有更加好的性能和愈加轻便的质量。图4为基于传统折射透镜的HMD光学系统,图5为基于BOE的HMD光学系统。
图4 基于传统折射透镜的HMD光学系统
图5 基于BOE的HMD光学系统
经过分析可知,在HMD的目镜结构中,传统光学元件构成的光学折射系统中,因为需要增加一个负透镜用以消色差,因此会大幅度加大正光焦度,令整个系统的布局变得复杂、不够轻便。此外,消除色差时会造成表面大曲率,进而产生更大的畸变、球面像差,令系统的畸变校正过程十分繁琐。因此,本文拟采用BOE对传统HMD光学系统进行改进设计,以校正系统中的色差,从而实现HMD大视场与高图像质量的要求。
将BOE应用于HMD光学系统,取代传统元件,可以在不更改HMD光学系统构型的前提下,使HMD体积更小、质量更轻、性能更优越。
3 基于BOE的折/衍混合目镜设计
目镜作为HMD光学系统的一个关键部件,对HMD的体积、重量和其整体像质有着重要的影响,所以目镜的设计是整个HMD光学系统设计的关键。
Erfle目镜是比较常用的传统目镜,包含两个双胶合透镜跟一个双凸透镜,其结构如图6所示。
为了进一步改良目镜性能,简化目镜结构,本文基于BOE对其进行如下改进:
首先,以双凸透镜取代Erfle目镜中距离出瞳较近的双胶合透镜,分别用双凸面曲率半径当作变量,在优化函数里面增加有效焦距,并进行优化。
其次,将另一个双胶合透镜里的正透镜以折/衍混合单透镜取代,把垂轴色差函数加入优化函数里面,再对折/衍混合单透镜衍射面的二次相位系数与球面曲率进行一定的优化,完成消除色差与不改变有效焦距的效果。
最后,完成系统整体上的优化,按照HMD光学系统的设计参数要求,将原目镜优化为眼距20 mm、出瞳直径8 mm、焦距30 mm、视场60°的基于BOE的折/衍混合目镜系统。基于BOE的折/衍混合目镜结构如图7所示。
图7 基于BOE的折/衍混合目镜结构
本文将基于BOE的折/衍混合目镜与Erfle目镜进行比较,两种目镜的参数对比如表1所示。
由表1可知,与传统Erfle目镜相比,本文设计的目镜的口径减小了12 mm、重量减轻了80 g,另外透镜组的总厚度为40 mm,满足了HMD的对于目镜系统小而轻的要求。
表1 目镜参数对比
接下来从Erfle目镜与折/衍混合目镜的成像质量出发,对比分析二者的调制传递函数、畸变和垂轴像差,如图8、图9和图10所示,其中图中a)表示Erfle目镜相关参数,图中b)表示折/衍混合目镜的相关参数。
在调制传递函数对比图中,折/衍混合目镜的MTF曲线值更接近于1,也比较平缓,成像质量更好。传统目镜的最大畸变是-6.7%,优化之后的折/衍混合目镜为4.9%,有明显改善。折/混合目镜的垂轴像差曲线在纵轴方向的波动范围相对较小,像差有所改善。
与传统Erfle目镜相比,本文设计的基于BOE的折/衍混合目镜重量、体积等设计参数与成像质量方面均有较大优势,可以在保证成像质量的前提下,简化光学系统的结构,从而减轻HMD的体积与重量。
图8 调制传递函数对比
图9 场曲和畸变对比
图10 垂轴像差对比
4 结束语
本文针对应用传统Erfle目镜的HMD光学系统的小型化和轻型化的发展需求,应用BOE对HMD光学系统进行改进,从而设计出一种用于HMD的折/衍混合目镜。最后通过参数与成像质量对比,验证了本文设计改进目镜的实用性和有效性,对于目前在现代空战中日益重要的HMD的发展与改进具有一定的借鉴意义。后续工作主要是从光学系统结构优化出发与BOE共同作用,达到更好的改进效果。
