折-衍混合投影式頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、用于頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)不僅要求具有高分辨率、大視場(chǎng)、大出瞳直徑和大出瞳距離等光學(xué)性能，而且要求系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上輕便緊湊。而傳統(tǒng)的頭盔顯示系統(tǒng)難以同時(shí)滿足上述要求。二元光學(xué)的發(fā)展，為頭盔顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑，在一定程度上促進(jìn)了頭盔系統(tǒng)的輕小化設(shè)計(jì)。隨著頭盔顯示器的發(fā)展，人們對(duì)其在增大視場(chǎng)、成像質(zhì)量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、輕量化方面提出了更高的要求，二元光學(xué)元件已經(jīng)不能從根本上解決頭盔系統(tǒng)的高性能和輕小化問(wèn)題了。 投影式頭盔系統(tǒng)是上世紀(jì)九十

2、年代末和本世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一種新型的頭盔顯示器，能在保持系統(tǒng)高性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其輕小化設(shè)計(jì)。它是基于投影物鏡和回射屏的，與傳統(tǒng)的頭盔系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別，可以獲得更小的體積和重量、更大的視場(chǎng)以及更小的像差，尤其是畸變。投影式頭盔在醫(yī)學(xué)可視化培訓(xùn)、交互環(huán)境、數(shù)字化個(gè)兵等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，并正在成為國(guó)際上二十一世紀(jì)光顯示領(lǐng)域高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新興熱點(diǎn)。 本論文以折/衍混合投影式頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)為研究方向，主要的研究工作如下： 1.

3、分析了基于目鏡的幾種頭盔顯示器的缺陷和投影式頭盔顯示器的優(yōu)勢(shì)；設(shè)計(jì)了可用于投影式頭盔顯示器的兩款投影物鏡——50°視場(chǎng)折射系統(tǒng)和50°視場(chǎng)折/衍混合系統(tǒng)；基于折/衍混合物鏡設(shè)計(jì)了投影式頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)1.3英寸彩色LCD設(shè)計(jì)，出瞳直徑為12mm，出瞳距離為25mm。像差分析說(shuō)明三個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，且能完成VGA模式圖像的顯示。其中，折射系統(tǒng)重27.4g，折/衍系統(tǒng)僅重13g，證明了二元面的引入可以實(shí)現(xiàn)頭盔

4、光學(xué)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)；折射和折/衍混合投影系統(tǒng)的鏡頭直徑分別只有24.6mm和23.4mm，十分有利于雙目設(shè)計(jì)。 2.設(shè)計(jì)了微光夜視頭盔的光學(xué)系統(tǒng)。其中物鏡視場(chǎng)為±18°，f/＃為1.43，由6片透鏡組成，含有一個(gè)二元面，可兼容輸入面尺φ18mm二代微光像增強(qiáng)器；將投影式結(jié)構(gòu)用于微光夜視儀的目視系統(tǒng)，其出瞳直徑和出瞳距離滿足頭盔顯示的要求。投影式目視系統(tǒng)表現(xiàn)出了傳統(tǒng)目鏡系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，它對(duì)于減小夜視眼鏡的突出量，降低重心，減