头盔显示器的光学系统设计方案

本文论述了头盔显示器光学系统的要求,并提出了几种光学系统设计方案及其各自的优缺点和折衷办法。最后介绍了全息头盔显示器光学系统设计新方案。新方案采用过渡全息图有象差的参考波记录全息元件,可以进一步减小象差,改进全息图的性能。     

头盔显示器光学系统的研究

HMD光学系统的设计非常具有挑战性。本文介绍了HMD光学系统的工作原理和一般组成。理想的HMD光学系统应该重量轻、体积小。为满足这些要求，文中描述了改进传统的HMD光学系统的两种方法，一种是用头盔护目镜和FFS棱镜重新构造HMD光学系统，另一种是用HOE和BOE替代传统的光学元件。这些模式比传统HMD光学系统优越，而且能使HMD光学系统体积小，重量轻。     

全息头盔显示器光学技术

本文根据全息光学元件的光学特性和头盔显示器性能的要求,对国外几种头盔显示器光学结构方案比较后,提出两种结构轻巧、大视野、中等视场的无闪烁全息头盔显示方案。     

全息头盔显示器的光学设计

与平视显示器相比,头盔显示器的突出优点是具有特别大的视场。但是,使用普通光学系统的头盔显示器,在显示亮度和体积重量方面还不能完全令人满意。为了进一步改进头盔显示器的现有技术性能,本文提出几个适用于头盔显示器的全息光学系统方案,并分析了它们的长短利弊以供对比择优。对于普遍关心且涉及方案可行性的全息光学元件像差校正问题,本文予以概括论述以供制造时参考。     

反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计

头盔显示器（HMD）作为一种头戴目视设备,具有小型化、轻量化的特点,同时为了获得良好的佩戴体验,要求合理的出瞳距、出瞳直径以及视场。为了同时满足头盔显示器的上述要求,采用紧凑的双反射镜结构来满足头盔显示器对体积和重量的要求,应用自由曲面增加设计自由度来校正大视场和非旋转对称结构引入的像差,并阐述了自由曲面补偿非旋转对称光学系统像差的基本原理以及该光学系统的设计方法与过程。该光学系统无色差,视场为5025,出瞳大小为8 mm,出瞳距大于27 mm。在奈奎斯特频率处全视场的调制传递函数大于0.4,可应用于新一代头盔显示技术。     

头盔显示器的发展与应用

本文对头盔显示器的发展历史及其在军事、工业、医疗、娱乐业的应用状况和特点进行了介绍 ,对头盔显示器中的图象源、光学系统、定位传感器等关键技术以及在我国发展头盔显示器件的必要性进行了分析。     

头盔显示器用的高效率小象差全息元件

与普通光学元件相比,全息光学元件(HOE)有许多优点.HOE比较轻,结构紧凑,而且比较容易制造和复制.更重要的是有时HOE可以完成一些复杂的光学工作,而这些光学工作用普通光学元件是无法完成的.一般地说,HOE必须与单色光源一起使用.     

基于衍射光学的头盔显示光学系统

基于一个传统五片式Erfle透镜头盔显示光学系统,通过引入一个衍射光学面,设计了一款改进型的三片式头盔显示光学系统。与传统系统相比,改进系统总长缩短了28.6%,总质量减轻了36.1%,实现了整机系统的小型化和轻量化。改进系统出瞳距离为20 mm,出瞳直径为12 mm,轴向球差小于0.06 mm,场曲小于0.5 mm,畸变小于2%,MTF在30 lp/mm处基本都大于0.4,满足头盔显示光学系统的要求,为头盔显示光学系统的轻小型设计提供了一种新途径。     

紧凑型折反式头盔光学系统设计

为适应近年来头盔显示器微型化和轻量化的发展需求,设计了一种紧凑型折反式头盔显示器光学系统。通过减小分束镜倾角使整个棱镜更薄;系统引入双胶合透镜和非球面,用以消除系统色差及其他像差;所有元件采用胶合方式实现一体化结构,更加紧凑,便于装调。设计的光学系统技术指标为视场角27.0°×20.4°,出瞳距离25 mm,出瞳直径12 mm,后截距大于5 mm,眼分辨率满足在40 lp/mm时的调制传递函数(MTF)值大于0.5,系统畸变小于0.5%。分析结果表明,该系统具有良好的成像质量,系统像差特性满足目视系统的成像要求,可广泛应用于虚拟现实的各个领域。     

穿透型折/衍混合头盔显示器的光学系统

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的独有特点,在光学系统中引入二元衍射面,给出了出瞳距离为21mm,出瞳直径为8nm,视场角为40°(水平)×30°(垂直)的用于增强现实(AR)的折/衍混合穿透型双目头盔显示器的设计结果。结果表明,该系统具有很高的成像质量,分辨率达到0.7mrad,接近人眼的最小分辨率,垂轴色差小于42μm,且最大畸变小于2%。同时,系统直径小于46mm,系统重量约为16.2g。设计结果满足用于AR的双目头盔显示器的要求。     

头盔显示技术的发展

主要介绍机载头盔显示技术的发展状况.重点论述头盔显示器必须具备的功能和要素,并且对机载头盔显示器设计中涉及到的问题进行了讨论. 最后,给出了目前国际上在研的几种比较先进的头盔显示器的例子.     

头盔瞄准/显示系统在武装直升机上的应用研究

分析了武装直升机选用头盔瞄准／显示系统的考虑因素，研究了头盔瞄准／显示系统在直升机上的飞行前准备、导航和各种武器的瞄准等应用模式。     

基于虚拟现实的头盔显示目镜系统设计

基于Erfle透镜结构,设计了可用于头盔显示系统的传统折射式目镜.在此基础上添加了衍射面,设计出了折衍射目镜.这两种系统的基本结构参数相同,出瞳距为27 mm,出瞳直径为8 mm.与传统折射式结构相比,折衍射目镜的总长度减小了11％,重量减轻了约23％,畸变减小了59.45％.考虑到衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率对...     

新型激光投影显示方棒照明系统的设计

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据,给出了激光二极管(LD)阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源,0.45inch(1inch=25.4mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器(SLM),应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例,包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。     

一种新型头盔显示技术--波导光学元件

基于波导技术的LOE是新一代准直显示技术,该技术基于波导传输原理,采用集成光学的设计理念,充分利用了波导元件的导波特性,通过对入射波进行调制和对出射波进行解调实现准直显示。重点介绍了LOE显示技术的原理,并就当前该技术的发展情况进行了阐述。     

基于LCoS的头配显示器光学系统研究

头盔式显示器的迅猛发展对系统重量和成像质量方面提出了更高的要求。文章采用LCoS作为头配显示器的显示器件,同时利用衍射光学元件独特的负色散特性和以其任意的相位分布实现对光波面的任意相位调制的特点,在改进的Erfle目镜的基础上引入二元衍射面,台阶深度为0.142μm,总的环带数为253,最小特征尺寸为3.31μm。优化设计了具有30°视场,30mm有效焦距,8mm瞳径,25mm出瞳距离的目镜系统,其MTF值在全视场内整体上大于0.25,并且重量缩小为原Erfle目镜的1/8,大大减轻HMD光学系统重量,并提高了成像质量。     

头盔显示器光学检测系统

为了对头盔显示器的目视系统做出整体性的评价,提出了一种简单可行的头盔显示器检测方法,设计了用于检测的光学系统。根据头盔显示器与检测系统光瞳匹配的需求,在设计中采用目镜结构的成像镜头,通过一片树脂非球面镜片实现了镜头的无畸变成像。检测系统的视场角为50°,入瞳大小为4mm,畸变量<0.1%,在-4D～3D头盔目镜测试条件下都能保持很高的成像质量,可以满足不同屈光度下头盔显示器目视系统的测试需要。     

拼接式全景头盔红外夜视仪系统设计

大视场、轻量化、小型化成像系统是目前各类光电探测设备的发展方向,提出了一种采用4路小口径红外镜头拼接实现全景成像的红外夜视仪设计方案,给出了该全景头盔式红外夜视仪的实现原理。系统由红外物镜系统、图像拼接处理器、OLED微显示器、红外目镜系统组成,确定了全景头盔式红外夜视仪的设计参数,并给出了一个视场可达150°的超大视场红外夜视仪成像系统设计实例。     

机载头盔显示系统的主要光学实现形式

头盔显示技术是当代有人驾驶战斗机技术的关键技术之一。简述了生物动力学、头部跟踪技术等头盔显示技术相关领域的研究成果。重点讨论了显示技术,分析了非浸入式头盔显示的几种主要光学实现方式。对这些技术的基本原理、关键技术及发展概况进行了详细描述,并讨论了其相对的优缺点。最后,对适用于固定翼战斗机的头盔显示技术作了总结和展望。     

双次棱镜耦合输入全息波导显示系统设计

提出一种双次棱镜耦合输入全息波导显示系统, 介绍了其工作原理, 设计分析了双次棱镜耦合输入消色差原理, 并对模型做出仿真分析。仿真结果表明, 该系统视场角为24°×20°, 出瞳直径为40 mm, 畸变小于2%, 全视场MTF在30 lp/mm处大于0.7, 满足光学系统的成像要求。