[发明专利]基于全息光学元件的车载平视显示器投影准直中继光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及到一种在平视显示器中应用的基于全息光学元件的准直投影中继光学系统。 

背景技术

车载平视显示器(HUD)是应用于汽车上的驾驶辅助设备。它利用全息光栅光学反射原理，将重要的驾驶信息投射到与汽车前挡风玻璃组合在一起的全息光栅上。投射的文字和影像成像在驾驶员正前方无穷远处，驾驶员透过HUD往前方看的时候，可以直接看到HUD显示资料与外界的景象重叠在一起。降低了驾驶员低头查看仪表的频率，避免了低头与抬头之间眼睛焦距需要不断调整而产生的注意力中断以及视觉延迟与不适，减轻了驾驶疲劳，提高了驾驶安全， 

HUD主要由准直投影光学系统、光栅显示器和图像产生源三部分构成。其中准直投影系统是一倒置的无穷远成像系统，其作用是将位于焦平面上的图像源产生的图像变为平行光束，将光点在图像源像面上的直线移动变为无穷远处的角移动。光栅显示器将准直系统投影的图像投射到光栅组合显示器上。由于组合在汽车挡风玻璃上的光栅显示器常有较大的离轴角，同时要考虑消除外通道“闪烁”，这会产生很大的慧差、像散与畸变。为了补偿这部分像差，基于全息光学元件(HOE)的准直投影中继光学透镜常采用偏心、倾斜等离轴光学设计。 

在传统的准直投影光学系统中大多采用普通的折射和反射光学元件，由此构成的光学系统主要存在以下几点不足：(1)系统光学设计复杂，光学元件要求加工精度高，加工困难；(2)普通光学元件的体积和重量比较大，这种准直投影中继光学系统在车内或机舱等狭小空间内安装时，容易遮挡住进入人眼的光线，而且减少了驾驶员头部的活动范围。 

发明内容

本发明提供了一种应用于车载平视显示器中基于全息光学元件的准直投影中继光学系统的设计方法，此系统采用透射型全息光学组件设计为倒置的无穷远成像系统，将图像源产生的图像变为平行光投射进入光栅显示器，并可以补偿光栅显示器处产生的大部分像差。 

该方法通过下述技术方案予以实现： 

(1)首先确定初始参量，选定全息组合玻璃的曲率和倾斜角，保证所需光线能够从驾驶员的眼点位置指向风挡玻璃的有效孔径，确定眼点距离、视场及出瞳孔径。然后利用普通折射光学元件设计中继透镜系统，利用光学设计软件进行模拟仿真，主要是确定准直投影中继透镜组的详细参数，其中包括准直投影中继透镜中各个透镜的材料、厚度、表面定点的曲率和相对位置，为了校正像差，一些透镜或者一些表面需要有一定量的偏心和倾斜； 

(2)根据所设计的光学元件的具体参数利用Sweatt方法设计全息光学元件。分析平面全息光学元件和曲面全息光学元件的成像性质，给出两种光学元件的等效透镜模型； 

(3)根据普通光学元件在光学设计阶段的具体参数，设计不同全息光学元件的制作光路，最后利用光致聚合物材料制作所需的全息光学元件。 

由于采用了上述技术方案，本发明所提供的方法具有这样的有益效果： 

(1)利用光致聚合物材料制作的全息光学元件具有很高的衍射效率，性能稳定，受环境影响小； 

(2)整套系统像差、畸变小，具有大的离轴角和视场角，能够明显地提高成像质量； 

(3)由于全息光学元件体积小、重量轻，整套系统结构简单、装调难度低，易于在狭小的空间内安装； 

(4)相比普通光学元件，全息光学元件制作简单、成本低、可大批量生产。 

附图说明

图1是双目重合视场图(BIFOV)； 

图2是各视场之间的关系； 

图3是准直投影中继光学系统结构图； 

图4是透射型全息光学元件的等效透镜模型，(a)是两个发散点光源的等效透镜模型；(b)是一个发散和一个会聚点光源的等效透镜模型； 

图5是球表面上的全息光学元件； 

图6是全息光学元件记录光路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。 

平视显示器主要由三部分组成：图像源、准直投影中继光学系统和光栅显示器。图像源用于产生显示图像，为了增强外界的光能透过率，图像源多为单色、窄波段、高亮显示。准直投影系统的作用是将图像源产生的图像变为平行光束，将光点在图像源像面上的直线移动变为无穷远处的角移动，再通过光栅显示器成像在使用者前方无穷远处，同时外部场景的光信号也可以通过光栅显示器进入人眼，其功能为一倒置的无穷远成像系统，