用于頭盔顯示液晶像源的透鏡薄膜設計與制備

袁 燁，馮奇斌，呂國強

（1.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002；2.合肥工業大學 光電技術研究院，安徽 合肥 230009；3.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009）

引言

頭盔顯示器已經在軍事、民用、醫療領域獲得廣泛關注[1-3]，采用液晶作為像源時，需要背光提供照明光線。發光二極管（light emitting diode，LED）由于具有體積小、發熱量低、穩定性好等優點，已經成為液晶顯示的主流背光光源[4]。但是LED的發散角度大，主視角方向亮度不高，通常需要根據LED 實際的排布方式和發光特性進行二次透鏡設計，以提高主視角亮度[5-7]。

對于LED的二次透鏡設計，目前多集中在照明領域，如Feng[8]等提出基于參數優化的方法，Yi Ding[9]等根據Snell 定律和能量守恒建立了一階偏微分方程得到自由曲面透鏡；Hsichao Chen[10]等采用圓柱形透鏡的設計形成了矩形照明光斑，Yi-Chien Lo[11]等則設計了一款蝴蝶形狀的透鏡。照明設計通常存在照明距離遠、成像光斑大的特點，但在頭盔顯示中，LED 光源與液晶像源的距離相對較小，采用照明領域的設計方法進行透鏡設計，很難獲得理想的效果。文獻[12]～[14]設計了用于近場的自由曲面透鏡，能對LED 發出的各角度光線進行有效收集，較大程度地提高了主視角亮度。但由于透鏡通常具有幾個到十幾個mm的厚度，增加了背光的體積，限制了其在頭盔顯示中的應用。本文前期透鏡設計的基礎上對透鏡進行扁平化，形成透鏡薄膜，以降低頭盔顯示中背光模塊的體積和重量。

1 透鏡薄膜設計原理

目前對光學元件進行扁平化的設計方法如圖1所示。……