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。     

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).     

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。     

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）.     

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.     

头盔显示器的光学设计方案

本文介绍了几种头盔式显示器的光学设计方案,并从提高系统的分辨率、对比度,重量等各方面作了比较。     

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。     

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。     

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。     

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。     

增强现实虚拟人中的光照方向估计

光照一致性是增强现实中实现虚实融合的重要方面,有效的光照方向估计方法对增强现实系统具有重要意义。为了实现增强现实虚拟人的光照一致,利用增强现实虚拟人具有相对固定目标的特点,提出了一种新的光照方向估计方法。该方法通过对目标进行三维重建获取法线数据,克服了一般光照方向估计方法中难以得到目标的法线信息的困难。为了提高系统的运算效率,把对连续图像的分析改为对离散的采样点数据进行分析。实验证明了该方法在增强现实虚拟人的光照方向估计中是可行性的。     

增强现实技术在PDA上的应用

将增强现实技术与移动终端PDA相结合,在PDA上实现真实场景与虚拟增强信息的融合。系统采用基于Fourier_Mellin变换的2D图像匹配技术获取用户的视点参数,利用已标定的来自不同视点的图像作为参考图像库。采用客户/服务器构架减轻PDA的运算负担。研制的基于PDA移动终端的增强现实系统轻巧灵便,易于携带,通用性高,能够应用于户外场景。     

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.     

支持交互操作的增强现实焊接防护系统

为了解决手工电弧焊接防护面罩存在的防护性较差及焊工视觉信息获取不足的问题,提出了增强现实头盔与焊接防护面罩相结合的支持交互操作的焊接防护系统。该系统采用基于视频增强现实人机交互的新思路,不仅解决了焊接中视觉信息不足的问题,而且其较好的隔离增强了对焊工的防护,同时还支持与焊工的交互,能对焊接进行实时指导。根据增强现实技术的概念和原理提出了支持交互操作的增强现实焊接防护系统,给出了这种新型焊接防护系统的设计思路、体系结构以及关键技术。展望了其应用和发展前景。     

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。     

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.     

全息波导头盔显示技术

文章首先阐述了全息波导头盔显示技术的基本原理,说明了它的技术先进性和可实现性;然后以几个有代表性的范例介绍了全息波导头盔显示技术的发展水平,展示了目前全息头盔显示技术所能达到的参数指标;最后,在分析了全息波导头盔显示技术的关键技术的基础上,说明其技术瓶颈并对其未来的发展方向进行了展望。     

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。