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全景三维立体头盔显示光学系统设计
引用本文:卢海平,刘伟奇,康玉思,魏忠伦,冯睿,付翰毅.全景三维立体头盔显示光学系统设计[J].光学学报,2012,32(5):522002-210.
作者姓名:卢海平  刘伟奇  康玉思  魏忠伦  冯睿  付翰毅
作者单位:卢海平:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,空间一部, 吉林 长春 130033中国科学院研究生院, 北京 100049
刘伟奇:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,空间一部, 吉林 长春 130033
康玉思:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,空间一部, 吉林 长春 130033
魏忠伦:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,空间一部, 吉林 长春 130033
冯睿:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,空间一部, 吉林 长春 130033
付翰毅:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,空间一部, 吉林 长春 130033中国科学院研究生院, 北京 100049
基金项目:国家863计划(2009AA032701)资助课题。
摘    要: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。

关 键 词:光学设计  头盔显示器  二元光学  非球面  视场拼接法
收稿时间:2011/9/29

Design of Compact Optical System in Panoramic Three-Dimensional Head Mounted Display
Lu Haiping,Liu Weiqi,Kang Yusi,Wei Zhonglun,Feng Rui,Fu Hanyi.Design of Compact Optical System in Panoramic Three-Dimensional Head Mounted Display[J].Acta Optica Sinica,2012,32(5):522002-210.
Authors:Lu Haiping  Liu Weiqi  Kang Yusi  Wei Zhonglun  Feng Rui  Fu Hanyi
Institution:1,2(1The First Laboratory of Spacial Optics,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun,Jinlin 130033,China 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract:To meet the command of panoramic three-dimensional head mounted display that is wide field of view (FOV), high resolving power and compact, light-weight structure, an optical system of eyepieces is designed. The dispersion characteristics of binary optical element (BOE) is used to correct the chromatic aberration, and the aspheric surface is selected to correct the aberrations (spherical aberration,astigmatism, coma and distortion). The organic light-emitting diode (OLED) micro-displayer is used to achieve compact and light-weight structure. Furthermore, the field-of-view-stitching method is used to obtain wide field of view. Obtained optical system can offer the horizontal FOV of 120°, the vertical FOV of 60°. Moreover, resolving power is 43 pixel/(°), the modulaiton transfer function (MTF)is higher than 0.45 at the spatial frequency of 45 lp/mm across the entire visual field, and the maximum distortion is less than 0.2% . The optical system has perfect performance and can meet the domanial demands of virtual reality display.
Keywords:optical design  head mounted display  binary optics  aspheric surface  field-of-view-stitching method
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