折-衍混合頭盔顯示光學系統(tǒng)設計研究.pdf

1、頭盔顯示器是現代顯示技術的一種新技術，在增強現實、虛擬現實以及立體顯示等方面有極其重要的應用。尤其是在航空航天飛行器中如何將大量的重要信息有效地展示在駕駛員眼前，一直是人們研究的焦點。頭盔顯示為大信息量、全天候顯示打下了基礎。通過分析人眼視覺特性及人機功效要求發(fā)現，用于頭盔顯示器的光學系統(tǒng)不僅要求具有高分辨率、大視場、大出瞳直徑和大出瞳距離等光學性能，而且要求系統(tǒng)在結構上輕便緊湊。傳統(tǒng)的頭盔顯示系統(tǒng)難以同時滿足上述要求。高分辨率平板微顯

2、示器的出現及二元光學理論和設計的發(fā)展，為頭盔顯示系統(tǒng)設計開辟了新的途徑。 透視型頭盔顯示系統(tǒng)，采用組合鏡實現雙通道顯示，因此組合鏡不僅影響圖像源的成像質量，也影響著外界場景的觀看效果。為發(fā)揮整機的最佳功效，采用護目鏡離軸投射顯示系統(tǒng)成為一種趨勢。但對于偏心和傾斜的非對稱光學系統(tǒng)設計還沒有完善的像差理論，給這種頭盔顯示系統(tǒng)的實現帶來了困難。 本論文正是在此背景下開展的，目的是研究建立具有最佳人機功效的現代頭盔顯示系統(tǒng)。

3、 1.完善傾斜和偏心非對稱光學系統(tǒng)設計的像差理論，是實現具有最佳人機功效的護目鏡離軸投射顯示系統(tǒng)的基礎。本文回顧了有關傾斜和偏心非對稱光學系統(tǒng)的設計理論，并首次利用矢量像差理論分析了具有較大傾斜角的平行平板光學系統(tǒng)和具有較大傾斜角的光楔光學系統(tǒng)的像差特性，指出該理論對傾斜和偏心的非對稱光學系統(tǒng)設計具有指導作用。 2.分析了折/衍混合成像光學系統(tǒng)的設計思想，對傳統(tǒng)透視型頭盔顯示器光學系統(tǒng)進行了改進。設計了40×30°視場用于2

4、1.8mm彩色液晶顯示器圖像源的折/衍混合頭盔顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足12mm出瞳直徑、21mm出瞳距離以及XGA(1024×768)分辨率顯示模式，同時系統(tǒng)重量僅為原頭盔顯示系統(tǒng)的53％。表明折/衍混合光學系統(tǒng)可以為頭盔顯示器提供更加理想的輕量化的成像系統(tǒng)。 3.對于透視型頭盔顯示器，護目鏡離軸投射顯示系統(tǒng)具有最佳的人機功效。本文利用矢量像差理論和折/衍混合光學系統(tǒng)設計思想，首次研究設計了多種類型的折/衍混合護目鏡離軸投射顯示系統(tǒng)

5、。(1)首先運用非球面光學理論建立了拋物面型、橢球面型和滿足科丁頓方程的超環(huán)面型護目鏡的數學模型；(2)依據數學模型，使用ZEMAX-EE或CODE-V光學軟件分別設計了20×15.4°視場用于0.5英寸圖像源的拋物面型護目鏡投射顯示系統(tǒng)和25×20°視場用于0.5英寸圖像源的橢球面型護目鏡投射顯示系統(tǒng)，前者滿足11.5mm出瞳直徑、50mm眼點距和SVGA分辨率；后者滿足8mm出瞳直徑、32.3mm眼點距和VGA分辨率。同時設計了50

6、×44°和40×30°視場用于0.7英寸圖像源的滿足科丁頓方程的超環(huán)面型護目鏡投射顯示系統(tǒng)，前者有中間成像有利于增大系統(tǒng)視場滿足8mm出瞳直徑、22mm眼點距和SXGA分辨率；后者無中間成像有利于縮短追跡長度滿足8mm出瞳直徑、40mm眼點距和XGA分辨率。 4.研究設計了用于晝夜頭盔顯示器的紅外光學成像系統(tǒng)。(1)首次提出利用不同光學材料間焦距位移系數的互補性，結合投影無熱差圖實現折/衍混合雙波段消熱差、消色差光學系統(tǒng)設計。具

7、體設計了視場角25°，焦距100mm，F數為1.98，工作波長為3～5μm和8～11μm折/衍混合紅外成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)在-20℃～50℃的溫度范圍內對于軸向視場兩個波段的調制傳遞函數值接近衍射極限，對應空間頻率251p/mm，在3～5μm波段MTF接近0.75；而8～11μm波段MTF超過0.42。同時在3～5μm波段內，最大色差值不到1μm；而8～11μm波段內，最大色差也只有4μm。(2)首次提出將離軸三反系統(tǒng)與具有二元光學透鏡的變

8、焦距系統(tǒng)相結合的超光譜紅外成像系統(tǒng)技術方案，具體設計了系統(tǒng)總長1060mm，口徑為468mm，視場角為1.5°，F數為1.93的折/衍混合超光譜紅外成像光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)在1μm光譜波段內，變焦系統(tǒng)單元的最小移動距離約為12mm，保證了系統(tǒng)能夠獲得足夠多的光譜探測通道。同時在空間頻率為201p/mm時，軸向視場、0.7視場和全視場MTF都超過0.51。(3)設計了用于晝夜頭盔顯示器的折/衍混合紅外物鏡。該物鏡安裝于頭盔上與液晶顯示器光軸重