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。     

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。     

一种新颖的智能眼镜光学系统设计方法

提出采用Fresnel微结构的曲面波导微投影光学系统眼镜设计思想,理论分析了所提光学系统的成像原理,给出了光学设计方法,并运用该方法设计了一套样机,曲面波导板近眼表面(即前表面)曲率半径为140.0 mm,后表面曲率半径为143.5 mm,中心厚度为1.7 mm,材料选PMMA (即有机玻璃),微型显示器选0.23″硅基OLED显示屏,分辨率640×480(象素),出瞳直径选为8 mm,眼点距约为18 mm,视场角9.6°(H)×7.2°(V),调制传递函数(MTF)在空间分辨率30 lp/mm时,中心视场MTF接近0.45,全视场大于0.2。从而验证了该方法的可行性。     

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。     

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。     

双远心数字条纹投影的光学系统设计

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题,设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统,实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标;设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统,在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%,且能量利用率为45.8%;设计了双远心结构的投影光学系统,投影视场为66.5mm×37.5mm,并在全视场范围内分辨率在8lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型,仿真结果表明,被投影区域均匀性为90.8%,投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀,综合提高了3D自动检测系统的投影质量。     

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。     

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     

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.     

多焦平面三维投影光学系统设计

为了解决传统立体显示器成像不满足人眼正常成像规律的问题,同时考虑到穿戴设备兼具质量小、体积小的特点,在计算分析光学系统参数的基础上,结合数字微镜元件(DMD)和压电可变形反射镜(PDM),利用Zemax软件设计出了具有多焦平面投影功能的光学系统。该光学系统由7片透镜组成,总长为200mm,视场角为40°,采用双远心光路结构。对光学系统的整体分析结果表明,改变PDM的曲率半径,可实现多焦平面的成像。人眼根据自身的调节作用,在特定位置处可观察到由各个焦面位置处(屈光度范围为0~3m~(-1))的二维图像重叠所带来的整体三维效果。最后对系统的成像质量进行分析,结果表明该系统在极限分辨率为37lp/mm时,各视场处的调制传递函数(MTF)均高于0.4,性能良好,满足设计要求。     

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。     

一种新颖微型液晶显示器背光设计技术

针对目前机载头盔显示系统中的微型液晶显示器背光模组亮度和均匀性不足问题,提出了一种新颖的微型液晶显示器背光结构及设计理论,并通过CODEV软件设计了背光光学系统,利用LIGHTTOOLS软件对背光模组进行了配光效果仿真,结果证明当采用85lm绿色LUXEONRebel LEDS作光源时,其输出光亮度接近160 000cd/m2,均匀性大于85%,功耗仅有1.25 W,完全满足了机载头盔显示系统的要求.     

PDMS基柔性近眼显示波导光学系统设计

针对近眼显示系统视场小、体积笨重、柔性差、量产性差等问题,文章采用在系统中加入自由曲面和聚二甲基硅氧烷(PDMS)基的设计方法.论述了柔性近眼显示光学系统的设计要求和工作原理,进行初始结构建立;分析了系统杂散光产生的原因,进行杂散光抑制设计;采用XY多项式自由曲面替换传统非球面,进行系统像差校正;采用柱面波导模拟波导弯...     

头盔显示器视差自动测量中眼位点的自动对准

自动测量头盔显示器的视差时，用CCD相机取代人眼的主观读取，由于机器视觉不如人眼灵活，CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的，从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点)，从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理，以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明，对测量精度与效率，对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明，该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点，定位精度为±0.071°，与摆头法测量视差系统进行对比实验，全视场视差测量效率高，重复精度高。     

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。     

基于双目视觉的飞行头盔动载特性测试技术研究

为了测试飞行员综合显示头盔系统在动态载荷下的穿戴运动特性和人机工效性,针对头盔与头部相对运动状态难以量化测量的问题,提出了一种基于双目视觉的测量方法,并研制了相应的测试系统。测试前,对两台摄像机分别进行标定以获取其内外参数,在施加动态载荷的测试过程中,通过摄像机提取被测目标事先编码的标记点,利用图像处理软件对其定位和立体匹配,确定标记点的坐标值及相互关系,调用OpenCV中的cvPOIST函数解算目标位置及三维姿态,实现了头盔与头部模型三维相对位移、角度和角速度参数的精确测量,试验结果表明,这种非接触式的测量方法真实还原了动态过载过程中头盔与头模的相对运动过程,具有不改变试验对象的质量特性、不干扰试验对象运动状态的优点,具有较高的应用价值。     

自由曲面光学系统设计及其应用

介绍了自由曲面光学系统研究背景,自由曲面描述方法,光学设计中的逐步逼近优化和像质自动平衡优化两种算法。并以实际应用中的头盔光学系统设计及大视场、高分辨率头盔显示器的设计为例对这些方面进行分析,讲解了自由曲面光学系统设计及其应用。     

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。     

新型自动立体显示背光板的光学设计

立体显示技术的研究主要是解决虚拟现实领域的三维视觉问题。自动立体显示是不需要配戴特殊眼镜的,使用一个二维平面空间显示屏显示至少一对满足双眼视差的立体图像。当人的双眼接受到具有视差的立体图像对时,在视网膜上形成视差像,经大脑神经系统的融合,从而产生深度感。提出了一种全新的实现自动立体显示的折射式方法,设计了基于此方法的一种新型折射式的、结构简单的、通过透射显示屏(如液晶显示屏)实现自动立体显示的背光系统。根据视差立体显示参量模型,建立了光学系统的结构参量以及分析了光学材料的性质对实现立体显示的影响,并运用先进的光学设计软件进行设计、模拟。