离轴回转对称棱镜式头戴显示器目镜的研制

针对大曲率自由曲面棱镜在加工中存在表面粗糙度差的问题,本文采用离轴非球面面型研制了棱镜式虚拟显示目镜。目镜的3个光学表面都采用了回转对称的非球面面型,其加工精度比自由曲面高且加工难度大大降低。通过控制棱镜各表面的曲率、倾斜角度来实现短焦距和大视场并通过优化高次非球面系数校正像差。实验结果显示:研制的目镜其光瞳大小为6mm,视场大小为55°;在30lp/mm处,轴上视场的调制传递函数(MTF)值高于0.2,轴外视场的MTF值高于0.1,目镜的最大畸变量为-5.37%。棱镜的检测和试验结果表明:与自由曲面棱镜相比,采用非球面面型能够显著降低棱镜表面的粗糙度,避免图像重影现象,成像更为清晰,虚拟成像的目视效果得到了明显改善。

离轴棱镜对的光线传输特性

采用几何光学的方法分析了离轴棱镜对在不同离轴偏移量的情况下光线的传输特性。通过光线追踪技术建立了离轴棱镜对内光线传输的数值模型,得到离轴偏移量d与棱镜斜边L的数值关系。讨论了3种情况下棱镜对间光线传输次数、传输方向和分布特性。结果表明,当d=L/2n(n=1,2,3…)时,光线在棱镜对内等间距的传输便于增益的均匀提取,更有利于光线在板条状增益介质中的多程传输与放大。