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。     

非对称轻小型头盔显示器光学系统设计

针对非对称光学系统视场范围和出瞳直径较窄、光学结构复杂、制造成本昂贵、装配调整麻烦等问题,本文采用在系统中加入自由曲面反射镜的设计方法。首先,论述了双反射镜非对称光学系统的设计要求和工作原理。然后,分析了三反射镜非对称光学系统的离轴结构控制方法。最后,采用XY多项式自由曲面反射镜折叠光路、消除遮拦、扩大视场、校正离轴像差,设计出一款适用于头盔显示器的非对称光学系统。设计的双反射镜非对称光学系统的视场为60°×30°,出瞳直径为8 mm。在截止频率52 lp/mm处,全视场的调制传递函数值大于0.25,系统畸变小于5%,单目系统重量约为190 g。设计结果表明,该非对称光学系统的视场大小和成像质量均有所提升,实现了小型轻量化,可应用于头盔显示器。     

轻量化头戴显示器光学系统设计

虚拟现实头戴显示器(HMD)的光学系统应具有较大的视场角和出瞳,同时应具有重量轻和厚度薄的特性,从而适应人体的佩戴需要。为了同时满足这些要求,详细描述了一种基于初级像差理论的头戴显示器光学系统设计方法。根据这个方法,用两种聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC),设计了双片式的头盔系统,其出瞳直径为8 mm,视场角为70°。系统总长小于70 mm,镜头的总质量小于30 g。全视场相对照度大于0.4,其轴上像差和轴外像差都得到了有效校正,边缘视场点列图光斑半径在70μm左右,各个视场的调制传递函数(MTF)曲线分布较为均匀,同时中心视场和边缘视场的MTF值在8 cycle/mm处分别为0.6和0.4左右,最大畸变小于2%,实际加工的系统对标准分辨率板的成像像质能够满足使用要求。     

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.     

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）.     

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.     

用于检测设备标定的标准头盔瞄准具设计

为标定和校准头盔瞄准具检测设备,提出一种新的光学结构,并设计了一款标准头盔显示系统（HMD）。该系统采用球面共轴设计,在有限体积的限制下满足了低畸变、高清晰的光学指标要求。利用对称性光学设计原则分步设计,设计的标准HMD系统出瞳清晰,可保证系统各种光学像差的综合校正。针对1．27cm（1／2in）微显示器设计了视场为30°、出瞳距离为75mm的标准HMD光学系统,各视场在分辨率30lp／mm处的MTF值均大于0．3,系统畸变小于0．9％。设计的标准HMD光学系统形式简单、结构紧凑,光学性能优良,可作为头盔瞄准具检测设备标准件。     

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...     

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。     

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。     

基于自由曲面的高倍率广角显微目镜设计

随着显微镜性能的不断提升,要求显微目镜具有更大的视场、放大倍率以及更好的成像质量.显微目镜由于孔径光阑外置,且焦距较短,其设计难点在于如何校正大视场带来的畸变与其他轴外像差,并在此基础上获得符合人眼观察要求的出瞳距离.本文分析了目镜光学系统存在的主要像差,特别是带有畸变的光学系统对成像所产生的影响.将自由曲面应用在显微目镜光学系统畸变校正中,设计出一款视场角达到60°(即±30°),放大倍率达到25×且全视场畸变小于5%的高倍率广角显微目镜.采用五片三组元式结构,其中自由曲面镜片采用塑料材料且关于XOZ与YOZ平面对称,实现了结构简单、易于加工且成本较低的高性能显微目镜设计.     

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).     

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     

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。     

50°视场角投影式头盔光学系统设计及逆反射屏研究

设计了一款适于医疗培训用投影式头盔物镜系统,出瞳直径8 mm,视场50°,能够满足对角0.9英寸微显示器对超高分辨SXGA模式的显示要求.其结构紧凑,口径10 mm,长度12 mm,重量仅有5 g.本物镜系统场曲仅0.35 D,畸变仅0.64%.为考察本投影式头盔系统的成像特性,研究了不同“逆反射材料”的特性.实验得到高强级逆反射材料在±40°视场范围内反射光强无明显变化,适合做为投影屏幕材料.定量分析了逆反射屏放置位置对成像的影响.     

水下成像光学系统设计1长春理工大学光电信息学院，吉林长春1300122中国中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062

在对目前水下成像系统现状进行调研后,分析了影响水下成像距离和成像质量的主要因素,即后向散射。突破了传统水下成像系统分视场、多探测器的成像方式,利用光学设计软件Zemax设计了一款大相对孔径、大视场的水下成像光学系统。系统只采用一个光电探测器,波长486 nm~656 nm,相对孔径1/1.8,视场角120°,采用9片透镜,无非球面,简化了透镜加工过程及成本。中心视场的艾里斑尺寸3 μm,在奈奎斯特频率60 lp/mm,时,各视场的调制传递函数曲线均高于0.7。同时,对大视场系统产生的高畸变进行校正,畸变小于5%,成像质量很好。此系统可广泛应用于水下探测、海洋开发、海底资源勘探、水下反恐等领域。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.     

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。     

基于DMD的大视场长出瞳距星模拟器光学系统设计

为满足高动态星模拟器的使用要求,设计了一套适用于DMD的投影光学系统和照明光学系统。投影系统采用二次成像方式,解决了大视场长出瞳距情况下长后工作距和系统像差校正难的问题,采用复眼透镜阵列设计了相应的照明系统,利用全反射棱镜实现照明系统和投影系统的同向排列。设计结果表明:系统出瞳为60 mm,视场为28.6°,畸变小于0.045%,80%的能量集中在直径为8 μm的圆内,照明系统的照明均匀度大于94%,满足设计指标要求,适用于大视场长出瞳距DMD型动态星模拟器的光学系统。     

用于微电子硅芯片液晶显示的反射式中继目视系统

设计了用对角为 18mm的微电子硅芯片液晶显示器、6 0°视场角的反射中继头盔显示系统。该系统由一个常用的艾尔弗 (Erfle)接目镜和一个反射中继镜组成。反射中继镜和接目镜的场曲异号 ,因此相互部分抵消 ,系统具有较小的场曲和像散。中继系统的采用 ,不仅保证了头盔显示的特定规格要求 ,诸如出瞳直径和出瞳距离 ,而且为反射式微电子硅芯片液晶显示器的照明光源提供了空间。该系统像差较小 ,尺寸和重量合理 ,适用于特定用途的头盔显示