增强现实BOOM系统设计

在增强现实系统中,头盔显示器的显示效果和重量之间一直存在矛盾。针对这个问题,结合在研的光学透视式头盔显示系统,设计了一个增强现实BOOM系统。针对设计的BOOM系统,进行了机械跟踪算法的推导,并进行了理论验证。该系统较好的解决了头盔显示器过重给使用者带来的不便,并且有较高注册精度和速度。     

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。     

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。     

增强现实系统虚实亮度评价方法研究

在增强现实系统中,虚拟物体与真实环境之间具有相匹配的亮度关系,会使虚实融合达到逼真的效果。为了获得虚实物体的亮度匹配,根据图像亮度处理的原理,对增强现实系统的虚实环境提出了整体和局部两种亮度评价算法,并对新型光学透视式头盔显示器的亮度匹配算法进行了改进,提高了系统效率。实验结果表明,对在不同情况下的真实环境和虚拟物体来说,这两种算法各有其优点,调节后的结果是理想的。     

视网膜投影显示系统设计

 针对传统透射型头盔显示器在眼睛调节焦距时,二维虚拟信息在视网膜上无法清晰成像问题,提出一种新型的透射型头盔显示器。采用麦克斯韦观察法原理,用微型LCD结合激光直接将图像成像到视网膜上,成像面独立于眼睛的调节,其目的是眼睛在调节过程中,图像总是清晰的。讨论了透射型头盔显示器显示原理,根据系统参数选择合适的初始结构,设计了光学系统,根据系统整体结构对混合现实的需要,加入半透半反结构,通过ZEMAX软件对系统进行优化。最后对系统功能做了验证,结果表明系统轴上视场MTF达到了衍射极限。     

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。     

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。     

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.     

眼模型下的投影式头盔物镜设计及视空间评价

进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法,应用接近实际情况的眼模型来模拟人眼对头盔物镜系统进行评价。由视空间的评价结果出发,从眼模型的成像效果反过来进一步指导头盔系统的设计工作。设计结果显示,轴上视场和大视场的调制传递函数特性良好,在轴上视场可以达到1′的人眼最小分辨角,在大视场可以达到微显示器单个像素确定的视锐度,表明此系统在视空间的分辨力满足实际使用需要。系统最大畸变小于5%,色差不会对人眼分辨产生影响。     

基于层叠阵列波导的穿透式视频眼镜设计

设计了一种采用层叠阵列波导结构的紧凑型穿透式视频眼镜光学系统。光学系统由层叠阵列波导系统、照明系统、目镜系统组成。层叠阵列波导是一种具有角度选择膜系实现穿透式显示的全新光学组合器,可以消除半透半反面波导的鬼像效应;照明系统为LCOS微显示器提供均匀照明,均匀性为92.3%;目镜系统负责光束的准直,对其调制传递函数、点列图、场曲、畸变和色差等参数进行了分析,结果表明获得了良好的光学性能。该穿透式视频眼镜分辨率为825 pixel×480 pixel,系统总重135 g,在20 mm出瞳距离和8 mm×8 mm眼动范围下,实现30°视场,在驱动电路功耗为1 W的情况下,系统亮度为3000 nit。     

一种基于增强现实的室内漫游系统

提出了一种基于增强现实的室内漫游系统,在这个系统中用户通过HMD观察增强的视景。在这个视景中不但包含真实布景的图像,还包含有计算机生成的虚拟物体的图像。为了实现虚实场景之间的注册,在HMD上安装有两个摄像机:场景摄像机与跟踪摄像机。并且在用户所在房间的顶部安装了一系列的红外标志点,这些标志点的图像由跟踪摄像机获取,并通过位置估计算法计算用户头部的位置和姿态。另外,通过一对安装有ARtoolKit标志点的手套,实现用户与虚拟环境之间的交互。最后,一套海底漫系统被开发出来,以验证整个漫游系统的可用性     

Wearable optical see-through head-mounted display capable of adjusting virtual image depth

Accommodation and convergence play critical roles in the natural process of depth perception, and the field of natural three-dimensional （3D） perception in stereo displays has been extensively explored. However, no prototypes of these natural 3D displays are suitable for wear due to the system size and weight. In addition, few of the researches have involved subjects with ametropia. We propose and develop an optical see-through head-mounted display （HMD） capable of diopter adjustment of both the virtual image and the real world scene. The prototype demonstrates a diagonal field of view （NOV） of 42° and an exit pupil diameter of 9 mnl, and a diopter adjustment range of -5.5D to 0D. Depth adjustment of virtual image is demonstrated with experiments, the results show the HMD can be further used to investigate the accommodation and convergence cues in depth perception in AR environment, particularly for users with different degree of the ametropia.     

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。     

头戴显示器中自由曲面棱镜的设计

由自由曲面棱镜光学系统所组成的头戴显示器具有体积小、像质高和视场大等优点.利用矢量像差理论傍轴近似结果对具有倾斜曲面的光学系统进行初始结构设计,根据这种方法,以KOPIN公司生产的VGA芯片为例,对头戴显示器中自由曲面光学系统进行设计,将确定的初始结构参数输入光学设计软件Zemax进行优化设计.设计结果验证了确定初始结构方法的可行性,表明头戴显示器中自由曲面棱镜的设计方法可应用于具有倾斜曲面的光学系统设计.     

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.     

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）.     

Hybrid diffractive-refractive 67°-diagonal field of view optical see-through head-mounted display

Design of a wide-angle off-axis optical see-through head-mounted display (HMD) becomes a challenge since its weight and size are constrained by human factors. Diffractive optics has the potential to play a key role in several areas of head-mounted display. They can reduce size and weight while providing some unique functions that would be difficult to implement with conventional refractive optics. This paper presents a 67°-diagonal field of view, wide spectral band hybrid diffractive-refractive see-through head-mounted display (HMD) using off-axis optics. It possesses a 10 mm exit pupil and a 22 mm eye relief, and satisfies the requirements of human factors. The whole optical system is suitable for a 20 mm-diagonal color liquid crystal display (LCD) with XGA resolution.     

Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling

We present a concept of a wide-angle, lightweight, optical see-through head-mounted display (HMD) using free-form optics tiling. Free-form optics tiling can potentially address several critical problems in existing tiled HMD designs that use rotationally symmetric optics. The optical design of our tiled optical see-through HMD achieves a field of view (FOV) of 56° × 45° and an angular resolution of 3.2 arcmin with two display channels. We demonstrate a proof-of-concept prototype and present some of its manufacturing details. The FOV can be further enlarged by tiling more display channels together at their bottom and side surfaces.     

Rotation measurement using a circular moiré grating

In this study a non-contact tracker for calculating the angle of rotation of a HMD (head-mounted display) is proposed. The merit of our proposed method is that the computer will change the spatial view to match the user's head posture and keep the ‘immersion' sensation at high accuracy and precision. Our results are validated using moiré fringes as an excellent HMD tracker.     

Design, tolerancing and stray light analyses of a freeform HMD optical system

We are presenting the results of a freeform HMD optical system design. The tolerancing and stray light analyses are carried out to analyze the optical performance of this system. Results are discussed in detail.