用于头盔显示器的折/衍混合目镜设计

设计了一个用于头盔显示器的40°目镜,由两片镜组成,其中含有一个二元衍射面和一个非球面.该折/衍目镜具有10 mm的出瞳直径和25 mm的出瞳距离,结构紧凑,总重量仅为16.6 g.像差特性优于传统的折射目镜,轴上视场传递函数良好,适用于SXGA分辨率的显示.     

60°对角视场的折/衍混合透视型头盔显示器

分析了离轴、大视场角透视型头盔显示器光学系统的设计方法，提出了利用衍射光学的独特性质设计了大视场、宽波段、离轴折/衍混合透视型头盔显示器光学系统.该系统具有10 mm的出瞳直径和22 mm的出瞳距离，且满足人因素要求.另外，该系统色差仅14 μm，系统口径小于46 mm，满足双目视觉要求.整个系统适合具有15 mm对角直径SVGA分辩率的彩色液晶显示器（LCD）.     

超轻小型投影式头盔显示系统折-衍混合物镜设计

在一个7片物镜的基础上,设计出一个折射和一个5片镜的折衍混合投影物镜系统,并给出了详细设计过程及性能评价。系统针对33.02 mm(1.3英寸)微显示器设计,视场为56°,出瞳直径为10 mm,出瞳距离为25mm。设计的折射系统和折衍混合系统的镜头直径分别为28 mm和22.4 mm,重量分别只有33 g和11.9 g,且最大畸变分别为3.2%和0.17%,分辨率满足SXGA显示模式。两系统均满足投影式头盔显示器在交互环境、医学可视化训练和数字化个兵等领域的使用要求。     

含三层衍射元件的60°视场折/衍混合头盔目镜

设计了一种含有三层衍射光学元件的60°视场头盔显示目镜,并给出了系统优化过程和结果.在整个视场和设计波段范围内三层衍射光学元件的衍射效率均在90%以上,提高了系统的光能利用率和像的对比度.此目镜光学系统的出瞳直径为8 mm,出瞳距离为22 mm.整个系统重量仅为8 g,总长度为26.8 mm,结构轻便紧凑,具有良好的光学性能,满足头盔显示目镜的使用需求.     

半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统设计

为实现头戴显示器(HMD)的轻小型化,设计了一种新型的半透膜阵列平板波导式HMD光学系统。利用两个互相垂直放置的半透膜阵列波导实现了目镜出瞳的扩展,使得小出瞳目镜即可满足HMD使用需求,在缩小目镜体积的同时减轻了系统重量。通过对半透膜阵列平板波导结构的理论分析和光学系统建模,讨论了系统成像质量和出瞳辐照度分布规律。该系统总重约36g,视场为15°×20°,出瞳7mm×12mm,畸变小于0.13%,点斑均方根半径小于3.75μm,波像差均方根小于0.045λ,各视场光学调制传递函数在40lp/mm时大于0.58。结果表明,半透膜阵列平板波导装置能够有效扩展目镜出瞳,该系统能够满足HMD的使用要求。     

含多层衍射光学元件的折/衍射混合头盔目镜

基于对多层衍射元件的衍射效率的理论分析,设计了用于头盔显示器的含有多层衍射元件的60视场折/衍射混合目镜系统。系统在设计波段和整个视场范围内衍射效率均在90 %以上,提高了光能利用率和像面对比度。目镜的出瞳距离为22 mm,出瞳直径为8 mm。调制传递函数（MTF）在25 lp/mm时全视场均在0.38以上,满足VGA分辨率要求。目镜中畸变为4.8%,垂轴色差最大为10 m。整个系统结构紧凑,镜头总长26.8 mm,最大直径16 mm,全系统质量仅8 g,实现了光学系统的轻小型化     

一种新颖微型液晶显示器背光设计技术

针对目前机载头盔显示系统中的微型液晶显示器背光模组亮度和均匀性不足问题,提出了一种新颖的微型液晶显示器背光结构及设计理论,并通过CODEV软件设计了背光光学系统,利用LIGHTTOOLS软件对背光模组进行了配光效果仿真,结果证明当采用85lm绿色LUXEONRebel LEDS作光源时,其输出光亮度接近160 000cd/m2,均匀性大于85%,功耗仅有1.25 W,完全满足了机载头盔显示系统的要求.     

自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

一种新颖微型液晶显示器背光设计技术

针对目前机载头盔显示系统中的微型液晶显示器背光模组亮度和均匀性不足问题,提出了一种新颖的微型液晶显示器背光结构及设计理论,并通过CODEV软件设计了背光光学系统,利用LIGHTTOOLS软件对背光模组进行了配光效果仿真,结果证明当采用85 lm绿色LUXEON Rebel LEDS作光源时,其输出光亮度接近160 000 cd/m²,均匀性大于85％,功耗仅有1.25 W,完全满足了机载头盔显示系统的要求.     

头盔显示器中折射/衍射塑料光学系统设计

研究了塑料透镜在头盔系统中的应用,设计了全塑料(聚甲基丙烯酸甲脂-PMMA)头盔光学系统.引入衍射面,利用其负色散性和波面任意整形特性消除系统色差及改善波前像差.图像源发出的光束在分束器附近成中间像,可增大系统视场;出瞳在中继透镜组中间成像,可减小系统口径,增大出瞳直径.该系统镜头部分重量仅为6 g,目视系统中需重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.44 mm和20 μm,最大畸变为2.5%;系统最小角分辨率为0.9 mrad,视场为40°(H)×30°(V).     

Hybrid diffractive-refractive 40° head-mounted display

The design of a head-mounted display with a field of view of 40 degrees and suitable for use with a micro display of 17.5 mm diagonal is presented. It is a combination of a diffractive-refractive eyepiece with an appropriate reflective relay system. The eyepiece design is based on a Kellner eyepiece. By replacing the cemented-doublet of the traditional eyepiece with a diffractive-refractive element (a plano-convex lens with the plane surface as the diffractive surface) an improved eyepiece is obtained. The proposed eyepiece shows a considerable reduction in physical size (which is particularly important for binocular systems) and weight, and exhibits superior performance compared to the traditional refractive type. It is emphasized that the proposed design has a performance that is well matched to a micro display with SXGA resolution.     

Simple 40° head-mounted display

A simple 40° eyepiece matched with the micro-display device is designed. It consists of two elements, including a binary surface and an aspheric surface. With satisfactory performance, the eyepiece can be used in display with a SXGA resolution sized 1.1 inches diagonal. Because no other relay system is needed, the HMD system could be made more compact with much less weight.     

基于OLED微显示器和变形目镜的全景显示技术

全景成像在特种车辆内夜间驾驶与观察、警戒监视等应用中具有广泛的应用需求。本文提出了一种基于OLED微显示器和变形目镜的全景图像显示方法,并设计了一套全景显示实验系统,通过图像处理模块完成全景图像数据的存储、缓存、图像预处理和传输,以OLED微显示器的子像素作为显示像素进行驱动信号重编码,实现全景灰度图像的水平3倍压缩显示,最后利用变形目镜将OLED微显示器上显示的压缩图像复原,以供人眼正常观察。实验结果表明:采用现有系统搭建的变形目镜基本实现了双像素靶标条纹的亚像素分辨,并验证了本文全景显示方案的可行性。     

用于增强现实的头盔显示器的设计

穿透式双通道头盔显示器 (HMD)是增强现实系统中的关键部件。本文给出了一种新颖的穿透式双通道头盔显示器的设计方案 ,使得当在用于增强现实系统中时 ,能够获得更大的透过率 ,以获得清晰的外部世界与内部产生的场景信息。同时通过成功的光学设计 ,获得了大视场、高分辨率的光学系统     

全景三维立体头盔显示光学系统设计

为了满足全景三维立体头盔显示器(HMD)对大视场(FOV)、小畸变、高分辨率以及轻量化的要求,设计了全景三维立体HMD的目视光学系统。采用4×3阵列式排列的12组相同的FOV角为33°×24°的高质量成像的目镜光学系统拼接成单眼目视光学系统,实现系统的大FOV设计。利用二元衍射面和非球面校正目镜光学系统的初、高级单色像差以及色差;使用有机光发射二极管(OLED)微显示器作为图像源,设计结果表明:单眼目视光学系统水平FOV达到120°,垂直FOV为60°,角分辨率为43pixel/(°);传递函数在45lp/mm处轴上FOV高于0.68,周边FOV高于0.45,系统畸变小于0.2%;系统的双目FOV为160°×60°,双目FOV重叠为80°×60°,系统重量约为91.2g。系统设计满足头盔显示光学系统的成像要求,并且实现了系统的轻量化以及低成本。     

高清晰低畸变细径化电子内镜物镜设计

设计了一款用于医疗方面的视场为74°的电子内镜物镜.电子内镜外径为8 mm从而实现无麻醉,内镜前端可弯曲来实现无盲区检测.物镜有效焦距为4 mm,后工作距为4.8 mm.系统的畸变最大值少于4%,场曲最大值为0.27 mm.为了提高成像质量,将非球面引入此五片镜系统.所设计的光学系统尤其适用于0.25英寸CCD像传感器,且显示模式为SVGA.