袁 烨，冯奇斌，吕国强

（1.中航华东光电有限公司，安徽 芜湖 241002；2.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009；3.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）

引言

头盔显示器已经在军事、民用、医疗领域获得广泛关注[1-3]，采用液晶作为像源时，需要背光提供照明光线。发光二极管（light emitting diode，LED）由于具有体积小、发热量低、稳定性好等优点，已经成为液晶显示的主流背光光源[4]。但是LED的发散角度大，主视角方向亮度不高，通常需要根据LED 实际的排布方式和发光特性进行二次透镜设计，以提高主视角亮度[5-7]。

对于LED的二次透镜设计，目前多集中在照明领域，如Feng[8]等提出基于参数优化的方法，Yi Ding[9]等根据Snell 定律和能量守恒建立了一阶偏微分方程得到自由曲面透镜；Hsichao Chen[10]等采用圆柱形透镜的设计形成了矩形照明光斑，Yi-Chien Lo[11]等则设计了一款蝴蝶形状的透镜。照明设计通常存在照明距离远、成像光斑大的特点，但在头盔显示中，LED 光源与液晶像源的距离相对较小，采用照明领域的设计方法进行透镜设计，很难获得理想的效果。文献[12]～[14]设计了用于近场的自由曲面透镜，能对LED 发出的各角度光线进行有效收集，较大程度地提高了主视角亮度。但由于透镜通常具有几个到十几个mm的厚度，增加了背光的体积，限制了其在头盔显示中的应用。本文前期透镜设计的基础上对透镜进行扁平化，形成透镜薄膜，以降低头盔显示中背光模块的体积和重量。

1 透镜薄膜设计原理

目前对光学元件进行扁平化的设计方法如图1所示。……