采用回射屏的折/衍射头盔投影显示器设计

设计了有效焦距为35 mm,出瞳距离为23 mm,出瞳直径为12 mm,视场角为50°的透视式头盔投影显示器。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;二元面的引入,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10.8 g,最大镜头直径为23.6 mm,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0.12 mm和7.89μm,最大畸变<0.5%。系统最小角分辨率为0.46 mrad,小于人眼的最小角分辨率,解决了普通透视式头盔显示器双目设计时宽视场实现难的问题。

双层衍射元件在投影式头盔光学系统设计中的应用

利用双层衍射元件设计了一款折衍混合投影式头盔光学系统。系统的衍射效率在可见光波段>90%,提高了像面图像的对比度,增加了色彩真实性。在出瞳距离为25 mm,出瞳直径为10 mm条件下,系统的视场角为50°,有效焦距为32 mm,直径为19.2 mm,重量为7.8 g,继承了投影式头盔光学系统的轻小性特征;调制传递函数(MTF)在38 lp/mm时,边缘视场达到0.3以上,中心视场达到0.6,充分满足2.8 cm(1.1 in)彩色LCD微显示器的SXGA显示模式;系统垂轴色差为8.2μm,场曲为0.4 m-1,畸变为5%,成像质量满足虚拟环境和可视化训练要求。文中给出了双层衍射元件的二元面特征曲线,每周期刻蚀八个台阶时,最小特征尺寸为6.3μm,且易于加工实现。

基于实际眼结构的个性化投影式头盔物镜研制

利用实际人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据和眼轴向深度数据建立了个体人眼光学系统。然后以能够在实际人眼视网膜上理想成像为优化目标,设计和研制了既能矫正物镜本身像差又能矫正实际人眼光学系统像差的个性化68°大视场投影式头盔物镜,给出了头盔佩带者视网膜上的成像质量,其中畸变仅为2%,横向色差为10.0μm,分辨率为50lp/mm,在没有采用衍射元件的情况下,加工装配后头盔物镜的总质量小于18g,能够满足现代化高性能、大视场、轻型化头盔的要求。

超轻小型投影式头盔显示系统折-衍混合物镜设计

在一个7片物镜的基础上,设计出一个折射和一个5片镜的折衍混合投影物镜系统,并给出了详细设计过程及性能评价。系统针对33.02 mm(1.3英寸)微显示器设计,视场为56°,出瞳直径为10 mm,出瞳距离为25mm。设计的折射系统和折衍混合系统的镜头直径分别为28 mm和22.4 mm,重量分别只有33 g和11.9 g,且最大畸变分别为3.2%和0.17%,分辨率满足SXGA显示模式。两系统均满足投影式头盔显示器在交互环境、医学可视化训练和数字化个兵等领域的使用要求。

眼模型下的投影式头盔物镜设计及视空间评价

进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法,应用接近实际情况的眼模型来模拟人眼对头盔物镜系统进行评价。由视空间的评价结果出发,从眼模型的成像效果反过来进一步指导头盔系统的设计工作。设计结果显示,轴上视场和大视场的调制传递函数特性良好,在轴上视场可以达到1′的人眼最小分辨角,在大视场可以达到微显示器单个像素确定的视锐度,表明此系统在视空间的分辨力满足实际使用需要。系统最大畸变小于5%,色差不会对人眼分辨产生影响。