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).     

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     

头盔显示器自由曲面光学组件的优化设计

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构,选定泽尼克多项式为自由曲面面型,利用正交泽尼克多项式与像差的关系,调整曲面参数校正系统的像差,运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法,由对比结果可知,分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明:系统在整个视场范围内,点列斑直径小于27 m,网格畸变的最大值为-7.15%,30 lp/mm处的MTF大于0.197。     

离轴双通道头盔显示器光学系统设计

论述了双通道头盔显示器光学系统的结构特点。根据对双通道头盔显示器应用要求的讨论,确定了它的技术指标。分析了离轴像差的特性,并在光学系统合适的位置处使用合理的自由曲面面型,有效地校正了离轴像差。设计的离轴双通道头盔显示器光学系统的技术指标为视场40°×30°,出瞳直径15mm,焦距26.4mm,眼点距25mm,波长540～560nm,后截距大于3mm,眼分辨率满足在0.88lp/mrad空间频率处的调制传递函数(MTF)值大于0.1。该系统的结构紧凑(系统尺寸70mm×122mm),重心位置适当,可以内嵌入头盔侧面使用。     

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）.     

折/衍混合微光夜视头盔显示器光学系统设计

设计了穿透式双通道单目微光夜视头盔的光学系统。其中微光物镜视场角为± 14°,f数为 1.4 ,含有一个衍射面。设计结果可兼容输入面尺寸为18mm ,面型为平面的二代和三代微光像增强器 ;最大畸变小于 0 .5 % ,可用于夜间精确瞄准与测量。考虑黑暗环境使用的安全问题 ,显示系统采用穿透式双通道单目光学系统 ,实现内部图像和外部真实世界的同时观察。显示系统的特性参量为 :出瞳尺寸为 15mm (H)× 10mm (V)、视场为[± 14°(H) ]× [± 10° (V) ]、出瞳距离为 2 5mm。采用全息组合器大大提高能量利用率。设计结果系统角分辨力为0 .6mrad ,最大畸变为 3%。显示系统结构紧凑 ,可与输出面尺寸为18mm的图像源相连。     

基于视网膜投影显示的头盔显示器设计

传统的透射型头盔显示器虽然可以显示虚拟图像,但当眼睛调节焦距时无法清晰显示虚拟图像,研究一种新型的透射型头盔显示技术,其特点是既可以看到外部景物,也可以同时看到微型显示芯片上所显示的虚拟图像,并且虚拟图像独立于人眼的调节。介绍显示技术的原理,用光学设计软件Zemax完成整体光学系统设计,优化后系统达到衍射极限,滤波投影系统中MTF在60 lp/mm处达到了0.7;用Autocad软件设计了头盔显示器结构。光路成像实验结果表明:设计的系统可以看到外界图像和虚拟图像,当眼睛对外界景物聚焦时,外界景物与虚拟图像都保持清晰,眼睛对外界景物离焦时,外界景物变得模糊而虚拟图像仍然保持清晰。     

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。     

大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计

头盔显示器系统由于自身对尺寸和重量有严格要求,采用自由曲面器件可以起到减少透镜片数,从而缩小系统尺寸、减轻重量等作用.针对目前单片式自由曲面棱镜解决方案存在的出瞳直径小,棱镜自由曲面光学面加工定位困难等问题,介绍了一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法,并给出了设计结果.设计方案采用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片...     

机载护目镜型头盔显示器畸变校正

根据机载飞行头盔特点及人机工程要求,设计了护目镜型头盔显示器光学系统.分析了该光学系统的光学性能和畸变特点,研究了该光学系统畸变的算法软件校正方法,设计了预畸变校正算法软件,并对护目镜型头盔显示器光学系统进行了畸变校正.结果显示:校正后光学系统具有很高的成像质量,空间频率为50lp/mm时,全视场调制传递函数接近0.2;同时畸变小于0.5%,系统满足机载护目镜型头盔显示器性能指标要求.     

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。     

折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计

投影式头盔系统具有成像质量高,结构轻便等特点。分析投影式头盔光学系统设计参数的选择原则,并基于投影式物镜引入对角为1.55 cm的新型OLED显示器作为图像源,采用折射/衍射混合结构来减轻光学系统的体积和重量。通过ZEMAX软件对系统进行优化,设计得到一款质量仅1.35 g,直径11.32 mm的超轻小型三片式头盔显示器光学系统。系统中心视场MTF在32lp/mm处达到了0.52,在该空间频率下对应人眼的分辨率为1.85,′在大视场处,子午和弧矢MTF也均大于0.2,分辨率满足SVGA显示模式要求。     

LED显示屏高光效高画面填充比光学设计与研究

针对传统LED显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点,基于非成像光学理论,提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩,从而避免了外表面全反射损耗,大幅度提高了系统的光能利用率。利用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配,提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例,根据上述方法设计了一个P10 mm全彩LED显示模块,利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹,并对设计结果进行了分析。结果表明,系统光能利用率大于70%,画面填充比接近100%,单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。     

LED显示屏高光效高画面填充比光学设计与研究

针对传统LED显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点,基于非成像光学理论,提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩,从而避免了外表面全反射损耗,大幅度提高了系统的光能利用率。利用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配,提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例,根据上述方法设计了一个P10 mm全彩LED显示模块,利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹,并对设计结果进行了分析。结果表明,系统光能利用率大于70%,画面填充比接近100%,单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。     

大视场双目头盔投影光学系统设计

设计了一种新型的头盔投影光学系统,解决了头盔系统中大视场和双目实现之间的设计矛盾,且有较小的重量和尺寸.系统的特性参量为：视场角60°,有效焦距30 mm,出瞳距离25 mm,出瞳直径12 mm.该系统由折/衍混合双高斯镜头、半透半反镜和回射屏组成.像差分析结果表明,系统的最大像散为0.27 mm,垂轴色差小于2.7 μm,畸变小于3.8%,最小分辨角为0.5 mrad,成像质量高.     

折/衍混合增强现实头盔显示器光学系统设计

利用衍射光学元件独有的负色散性质和可实现光波面任意相位调制的特点 ,在光学系统中引入衍射面 ,设计了出瞳距离为 2 6mm ,出瞳直径为 12mm ,视场角为 2 0°(H)× 15 .4°(V)的用于增强现实的折 /衍混合穿透式双通道头盔显示器的光学系统。设计的系统内、外两个光通道的光能量利用率分别达到 1/4和 1/2。系统分辨力适合采用分辨率为 80 0× 6 0 0、像元尺寸为 33μm的图像源。设计结果 ,系统镜头直径小于 4 6mm ,满足用于双目显示的要求。设计结果表明 ,该系统不仅在结构上满足使用者因素的要求 ,而且成像质量接近衍射极限 ,具有很高的分辨率 ,色差和畸变非常小。设计结果完全满足用于增强现实的要求。     

光学玻璃的强度设计方法研究

玻璃没有固定的特征强度值,其强度主要由其表面裂纹的分布所决定,玻璃的强度设计需采取保守设计思想.以玻璃强度基本理论为基础,给出并分析了断裂几率预测法、最小寿命预测法和寿命-断裂几率综合预测法三种玻璃强度设计方法.这些方法可为设计者提供给定玻璃的使用强度、断裂几率及预期寿命,还可为光学元件及其装配结构设计提供指导.     

A Practical See-Through Head Mounted Display Using a Holographic Optical Element

This paper describes a practical method for design and fabrication of holographic optical elements (HOEs) as off-axis imaging optics. The authors have designed and fabricated a compact glass-like and see-through display using HOE and a total internal reflection prism. Observers can see through the display because wavelength selectivity of the HOE provides high transparency. Wave front of the HOE is designed by commercial software, though the actual fabrication method is not provided. The authors propose a practical method to fabricate HOEs, which can be applied to a wide range of imaging optics.This paper was originally presented at the 2nd International Conference on Optical Design and Fabrication, ODF2000 which was held on November 15–17, 2000 at the International Conference Center, Tokyo, Waseda University, Japan.