军用头盔显示光学系统的改进

早期军用头盔式显示装置均采用小型ＣＲＴ（阴极射线管（为图像源。这些装置中的光路配置不论在尺寸上还是在形状上都大不相同。最近几年来新的小型化像源技术以主要竞争者的姿态出现以取代现小型ＣＲＴ。实现新图像源的若干新技术必然要求新颖别致的光学设计。由于掌握了更多的光学设计技巧和拥有先进的光学加工手段，如金刚石车削，衍射元件，陡度折射率材料等，已经开发出的多种光学系统已明显优于带ＣＲＴ的头盔式显示装置。

折/衍混合透视型头盔显示器光学系统设计

为满足头盔显示器(HMD)对大视场、高像质和彩色显示的要求,提出了改进型 HMD 光学系统。该系统以彩色 LCD 为图像源实现彩色显示;以折/衍混合单透镜代替双胶合,利用其负色散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;出瞳在中继光学组元中间成像,可减小系统口径,增大出瞳直径;球面耦合器将分束器反射过来的光束准直后投射到人眼,能消除人眼反复观察不同焦距的视频图像和外界图像所造成的疲劳。该系统垂轴色差小于 42μm,视场扩大为 40°(水平)×30°(垂直),分辨力接近人眼的最小分辨能力;口径小于 46mm,重量比现有 HMD 光学系统下降 47%。

新型军用头盔微晶显示器

液晶显示器以其高清晰度、低功耗、重量轻和无辐射等一系列优异性能发展十分迅速。本文介绍了一种采用虚拟显示技术研制的新型军用头盔微晶显示器 ,主要用于单兵系统中数字图像、数据和文字信息的传递 ,通过头盔显示器士兵可看到计算机产生的图形数据、战场地图、敌方情报、己方位置等信息。该显示器选用动态向列液晶材料 ,将液晶显示器 (LCD)微晶片紧贴到集成电路硅片上 ,由这些电路直接驱动微晶材料 ,并用发光二极管 (LED)作光源 ,使红、绿、蓝点光源按域顺序在微晶显示器上产生全彩色图像。该微晶显示器还利用人眼的视觉原理 ,设计特殊光学系统 。

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50°×25°,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。

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。

一种新的头盔显示器光学系统设计方案

设计了一套新颖的透视式液晶头盔显示器的光学系统,取消了中继光学系统,采用二元光学元件消除像差,采用全息护目镜作为光学组合玻璃.和传统的光学系统相比,质量小,体积小,结构紧凑,像差和畸变小,成像质量好.

AMOLED头盔显示器光学系统设计及视空间评价

基于投影式物镜,采用新型AMOLED图像源,引入折射/衍射混合结构,通过系统优化,得到一款3片投影式头盔显示器光学系统.该系统采用0.61英寸AMOLED微显示器,视场为45°,质量为1.35 g,直径为11.32 mm,分辨率满足SVGA显示模式,实现了头盔系统的超轻小设计.通过理想透镜焦距变化模拟人眼调节,对其MTF(调制传递函数)进行了精确的视空间评价,评价结果显示:对于3 mm瞳孔,该系统中心视场的MTF在0.5 cycles/arc min处为0.41,远夫于AIM(视网膜空间像调制度)曲线的值(0.23),达到了人眼的最小分辨角,满足单兵装备的使用需要。

新型彩色LCOS头盔微显示器光学系统

通过对实像显示技术和虚像显示技术的区别的简要介绍,阐述了头盔微显示器在未来战场上对数字化士兵的重要作用以及头盔微显示技术的研发意义。通过对LCOS头盔微显示器显示原理的阐述,着重介绍了一种新型彩色LCOS头盔微显示器整个光学系统设计方面的最新研究成果。

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。

折/衍混合自由曲面式头戴显示器光学系统设计

为解决传统头戴式显示器大视场、大出瞳距与小型、轻量化之间的矛盾,设计了折/衍混合自由曲面式头戴显示器的光学系统。利用衍射元件的特殊色散特性校正系统色差;选取最佳的自由曲面面型组合校正系统的像散、彗差和畸变;由光学塑料(PMMA)注塑成型的自由曲面棱镜形成离轴结构,使光学系统结构紧凑、便于装调。设计得到的光学系统出瞳距离为17.4 mm,出瞳直径为4 mm,对角线视场为55°,光学系统的点斑RMS半径小于30μm,各视场光学调制传递函数在30 lp/mm时大于0.1,系统畸变小于10%。实际分析结果表明,该系统具有良好的成像质量,系统像差特性满足目镜系统的成像要求,可以满足虚拟现实各领域的实际需求。

穿透型航天员舱外头盔信息显示系统

简要分析了美国和俄罗斯舱外服信息显示系统的研制过程,指出了目前显示系统存在的缺陷,依据我国舱外服头盔的结构特点设计了一套头盔信息显示系统(HMD)。该系统采用离轴折反光学结构,内嵌于舱外服头盔压力面罩内,固定在通风管下方,可满足航天员佩戴和观察的舒适度要求;同时采用FPGA内嵌Microblaze(MB)的显控板结构,有效减小了系统的体积和功耗。由此使系统产生了复杂畸变(弓形加梯形畸变)和双节点像散,利用胎面型非球面和倾斜偏心中继透镜进行校正,实现了系统畸变小于3%及分辨率满足SVGA要求。该系统可为航天员显示文字、图表和视频信息。模拟训练发现:系统具有提高航天员的工作效率,增强处理意外事件的能力。

折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计

投影式头盔系统具有成像质量高,结构轻便等特点。分析投影式头盔光学系统设计参数的选择原则,并基于投影式物镜引入对角为1.55 cm的新型OLED显示器作为图像源,采用折射/衍射混合结构来减轻光学系统的体积和重量。通过ZEMAX软件对系统进行优化,设计得到一款质量仅1.35 g,直径11.32 mm的超轻小型三片式头盔显示器光学系统。系统中心视场MTF在32lp/mm处达到了0.52,在该空间频率下对应人眼的分辨率为1.85,′在大视场处,子午和弧矢MTF也均大于0.2,分辨率满足SVGA显示模式要求。

车载抬头显示光学系统塑料元件反射膜的研制

为了提高抬头显示系统中投影镜和反射镜的耐环境性和光学性能,以聚碳酸酯(PC)作为基底,采用电子束蒸发技术,使用过渡层和连接层技术以及渐增式离子源工艺,解决了薄膜与基底的附着力问题;利用真空退火,改善了环境测试过程中薄膜的膜裂现象;通过调节最外层SiO2的离子源工艺,改善了水煮测试过程中薄膜因水汽渗透而导致的反射率下降的问题。制备了耐环境性能强的平均反射率大于95%的金属-介质结构的高反射膜。实际样品满足抬头显示系统的要求,并通过了多项环境测试。

大视场双目头盔投影光学系统设计

设计了一种新型的头盔投影光学系统,解决了头盔系统中大视场和双目实现之间的设计矛盾,且有较小的重量和尺寸.系统的特性参量为:视场角60°,有效焦距30 mm,出瞳距离25 mm,出瞳直径12 mm.该系统由折/衍混合双高斯镜头、半透半反镜和回射屏组成.像差分析结果表明,系统的最大像散为0.27 mm,垂轴色差小于2.7μm,畸变小于3.8%,最小分辨角为0.5 mrad,成像质量高.

彩色显示管电子光学系统的计算和分析

为了实现高清晰度显示，大量采用非旋转对称的系统以减小电子束上屏的束点尺寸。考虑到目前电子光学系统的一些新特点。

大屏幕投影显示光学系统的超薄化设计

针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求,设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片(DMD)作为空间光调制器,利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离,然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成,焦距为2.8mm,F/#为3.5,最小视场角为55°,最大视场角为78.5°,在投影距离为120mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明:在像面的Nyquist频率处,95%以上视场的MTF>0.6,最大畸变量为0.8TV%,一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能,加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好,能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。

折/衍混合式VR显示光学系统设计

VR显示光学系统应在具有较大视场角的同时满足厚度薄和重量轻的特性,从而满足人体佩戴的舒适度需要,为能同时满足VR显示光学系统大视场与体积小、重量轻的设计需求,设计了折/衍混合VR显示光学系统。基于一个传统五片式目镜光学系统,通过引入一个衍射光学面,并用光学塑料APL5514ML、EP7000作为透镜材料,设计了一款改进型的四片式全塑料折/衍混合VR显示光学系统,同时对其进行像质评价及公差分析,并在此基础上对镜筒进行机械设计。设计结果表明:改进系统的视场角为90°,总长缩短至48 mm,透镜质量为42.38 g,装配后系统的总质量为114 g。该四片式光学系统为VR显示光学系统的轻小型大视场设计提供了一种新的途径。

基于衍射面的双目投影头盔光学系统设计

为满足双目头盔显示器对大视场的要求,对它进行了改进。设计了以微液晶显示器为图像源,有效焦距为35mm,出瞳距离为23mm,出瞳直径为12mm,视场角为40°的头盔投影显示器。该系统由一组双高斯透镜,一个半透半反镜和一个回射屏组成。回射屏的使用使双目设计的视场有效提高,畸变明显降低;衍射面的引入,使系统在尺寸和重量上有明显的减少,像质进一步提高。该系统投影镜头部分重量仅为6.8g,最大镜头直径为16.8mm,完全满足双目设计的要求。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0.32mm和13.1μm,最大畸变不足0.1%。选用分辨率为1024×768、像素尺寸为25μm的图像源,系统分辨率满足图像源的要求。

基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计

基于传统增强现实型平视显示器的设计只能显示单一虚像,并且可能会导致驾驶者在行驶中产生视觉疲劳,从而引发安全事故。本文提出一种采用单一的数字光处理光机(DLP光机)使其分拆出两块图像生成单元的方法。改变光路物距并结合两块自由曲面反射镜,搭建离轴反射式双光路车载平视显示光学系统,最终实现双投影虚像显示。其中采用5.74 inch DLP光机,设置的视野眼盒大小为130 mm×50 mm,远投影视场角10°×3°,近投影视场角4°×1°,虚像投影距离分别为3.8 m和7.5 m。该设计结果不仅能保证近投影虚像面和远投影虚像面同时或者分时显示,也能提高驾驶者的视觉体验感。