[发明专利]包括交叉光学部件的头戴式观察系统

说明书

技术领域

本发明的领域是头盔式观察系统。该系统也称为“HMD透视系统”，HMD为“头戴式显示器”的首字母缩略语。其用于各种应用。例如，可以由飞行器飞行员或者步兵来佩戴。

背景技术

所述系统用于向用户的眼睛投射瞄准无限远处并且叠加在外部景观上的投影图像。投射的图像可包括表示任务信息的符号、要完成的任务或者外部环境和/或甚至摄像机发送的图像。该摄像机可以是微光摄像机、红外线摄像机或者热成像摄像机。

所述系统可以是单眼的，也可以是双眼的，其取决于用户用单眼还是双眼来感知图像。

所述系统通常包括显示要投射的图像的小的高分辨率显示器、中继光学系统以及光组合器或者“混合器”，该混合器确保投射到并且瞄准用户眼睛的图像的反射，以及外部景观的传输。该混合器集成到屏幕、护面或者眼镜上。护面或者屏幕意味着放置于用户眼睛前面的透明的弯曲元件，其首要功能是保护用户的眼睛，同时确保用户具有良好的外部能见度。所述保护是机械的保护，但是如果该护面包括特别处理，其也可以是光学的保护。在本文的其余部分，术语“屏幕”和“护面”可交换地用于表示混合器的载体。

在大多数应用中，观察系统的视野必须足够大，即包括在20度到40度之间。然而，在大多数提出的解决方案中，该混合器是具有显著偏轴的光学元件，以便确保良好的传输并且在视野中留下尽可能少的光学元件。构造具有实质偏轴的优质光学解决方案是首要困难。

这种类型的观察系统的第二个困难是将混合器集成到屏幕上必须尽可能少地破坏外部视觉，人类视觉自然为大视野。因此，人类视野在横向面上达到200度，并且在竖直面上达到125度。因此该混合器必须引入尽可能少的视觉障碍物并且必须具有尽可能贴近面部轮廓的形状。所述系统也必须与处方眼镜的佩戴相匹配。

最后，所述系统的重量和体积必须保持足够小，以便使其能够容易地集成在头盔的面对前额的部分下方，或者使其能够以护目镜的形式直接放置在面部，例如滑雪护目镜或者防护护目镜，或者甚至利用合适的无檐帽或者头巾。

安装在眼镜腿上的畅销的观察系统不满足所有条件。

由此提出了各种技术方案。第一种技术方案为在侧面放置整个系统，然后整个系统包括在基本水平的平面中。显示器和中继光学系统放置在用户头部的一个侧面。例如，我们提到在专利申请WO 2010/089495(标题为“便携增强现实平视显示设备”)和WO 2009/136393(标题为“广角头盔显示器系统”)中所描述的设备。所述解决方案具有复杂，笨重并且可能形成明显的侧面障碍物的缺点。

第二种解决方案为面向前额放置整个系统，整个系统包括在观察者的眼睛上面的基本竖直面中。例如，我们提到在专利申请WO 2013/036888(标题为“夜视设备和方法”)和US 5 341 242(标题为“头盔显示器”)中所描述的设备。从这些专利申请的各种附图中可以看出，所提供的光学解决方案是复杂的。将其集成到头盔的面对前额部分是不简单的。此外，所述解决方案原本是单眼的，并且将其转换为双眼版本是成问题的。

发明内容

根据本发明的头戴式观察系统不具有以上缺陷。其可以为单眼或者双眼的。其包括所谓的交叉的光学部件。也就是说，在双眼系统的情况下，如果一个光组合器放置于用户的右眼的前面，中继光学系统和对应的显示器放置于用户的左眼上面的面对前额的位置，并且在放置于左边的光组合器的下面。通过明智地选择各种光学元件的几何参数、曲率以及其表面的形状而得到这种设置。这种光学结构具有许多关于构造简单以及关于体积的优点，并且易于放置在头盔的面对前额部分的下面。

更确切地说，本发明的主题是观察系统，其包括：第一显示器和第一光学组件，所述第一光学组件包括第一中继光学系统和部分透明第一光组合器的；所述第一光学组件设置用于形成经由第一显示器显示的第一图像在无限远处的第二图像；所述观察系统用于佩戴在用户的头上；所述第一光组合器在使用的情况下放置于所述用户的两个眼睛的其中一个的前面；所述第一组件的出射光瞳放置于与所述眼睛同一水平；第一光学组件的光轴与穿过光瞳中心的中央视野的光线相对应，其特征在于:

第一光组合器是具有基本平行的弯曲面的薄板，每个面由多项式关系或者定义自由表面的点数据集来定义；

第一光组合器相对于光轴的倾角大约为35度；

从出射光瞳到光轴与第一光组合器之间的交点的距离大约为60毫米；并且

为了不使直视变形，在传输中光组合器具有几乎为零的光学功率。