折-衍混合投影式頭盔顯示光學系統(tǒng)設計研究.pdf

1、用于頭盔顯示器的光學系統(tǒng)不僅要求具有高分辨率、大視場、大出瞳直徑和大出瞳距離等光學性能，而且要求系統(tǒng)在結構上輕便緊湊。而傳統(tǒng)的頭盔顯示系統(tǒng)難以同時滿足上述要求。二元光學的發(fā)展，為頭盔顯示系統(tǒng)設計開辟了新的途徑，在一定程度上促進了頭盔系統(tǒng)的輕小化設計。隨著頭盔顯示器的發(fā)展，人們對其在增大視場、成像質量、簡化結構、輕量化方面提出了更高的要求，二元光學元件已經(jīng)不能從根本上解決頭盔系統(tǒng)的高性能和輕小化問題了。 投影式頭盔系統(tǒng)是上世紀九十

2、年代末和本世紀初發(fā)展起來的一種新型的頭盔顯示器，能在保持系統(tǒng)高性能的同時實現(xiàn)其輕小化設計。它是基于投影物鏡和回射屏的，與傳統(tǒng)的頭盔系統(tǒng)有本質的區(qū)別，可以獲得更小的體積和重量、更大的視場以及更小的像差，尤其是畸變。投影式頭盔在醫(yī)學可視化培訓、交互環(huán)境、數(shù)字化個兵等領域有重要的應用，并正在成為國際上二十一世紀光顯示領域高新技術產業(yè)的一個新興熱點。 本論文以折/衍混合投影式頭盔顯示光學系統(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；設計了可用于投影式頭盔顯示器的兩款投影物鏡——50°視場折射系統(tǒng)和50°視場折/衍混合系統(tǒng)；基于折/衍混合物鏡設計了投影式頭盔顯示光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對1.3英寸彩色LCD設計，出瞳直徑為12mm，出瞳距離為25mm。像差分析說明三個系統(tǒng)各項指標均達到或超過了設計要求，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現(xiàn)頭盔

4、光學系統(tǒng)的輕量化設計；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，十分有利于雙目設計。 2.設計了微光夜視頭盔的光學系統(tǒng)。其中物鏡視場為±18°，f/＃為1.43，由6片透鏡組成，含有一個二元面，可兼容輸入面尺φ18mm二代微光像增強器；將投影式結構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，它對于減小夜視眼鏡的突出量，降低重心，減