基于FFSP的大視場視透式頭戴顯示器光學系統(tǒng)的設(shè)計.pdf

1、頭戴顯示器經(jīng)過四十多年的發(fā)展，取得了巨大的進步。近年來高分辨率微顯示器件制造工藝和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟使其應(yīng)用更加廣泛。民用領(lǐng)域和現(xiàn)代數(shù)字化部隊的需求，使頭戴顯示器成為很有前景的微顯示設(shè)備。
　　頭戴顯示器包含像源、光學和支撐三個子系統(tǒng)，其中光學子系統(tǒng)是頭戴顯示器中最重要的，已經(jīng)由早期的共軸球面演進為多種光學形態(tài)。理想的頭戴顯示器光學系統(tǒng)應(yīng)該在保證像質(zhì)的同時盡量做到重量輕、體積小，傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)很難兼顧。最近十幾年發(fā)展起來的自由曲面

2、光學元件，以其特殊的光學特性在照明和成像系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。
　　本文基于自由曲面棱鏡，設(shè)計了一個適用于輕型大視場視透式頭戴顯示器的光學系統(tǒng)。主要工作內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　1）對已有的頭戴顯示器的光學系統(tǒng)進行剖析，同時針對人眼的生理結(jié)構(gòu)特點，分析了光學系統(tǒng)的視場角、出瞳直徑、出瞳距離等因素對成像質(zhì)量的影響，并得到相應(yīng)的約束集合，提出了50度以上大視場的目標。
　　2）參照光學設(shè)計的基本方法，結(jié)合離軸光學系統(tǒng)理論

3、，根據(jù)性能指標進行初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
　　3）將系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)在Zemax軟件中進行優(yōu)化設(shè)計，并按本系統(tǒng)的特點使用多種函數(shù)對優(yōu)化的結(jié)果進行分析，最后得到符合并超出性能參數(shù)目標的自由曲面棱鏡。
　　4）對頭戴顯示器的兩種視透方式進行了分析，結(jié)合輕型化等需求實際確定了相應(yīng)的視透方案。在所設(shè)計的自由曲面棱鏡的基礎(chǔ)上，將全反射膜改成半反半透膜。之后對補償棱鏡進行設(shè)計，使外界景物的畸變得到校正，獲得了很好的半反半透效果。
　　本文