轻型大视场自由曲面棱镜头盔显示器的设计

轻型大视场头盔显示器(HMD)在虚拟现实、增强现实、军事和反恐等领域具有广阔的应用前景。传统的目镜结构形式难以满足头盔显示器对系统视场、体积和重量的苛刻要求。通过采用自由曲面(FFS)棱镜实现了大视场轻型头盔显示器目视光学系统,讨论了FFS头盔显示系统的设计方法并给出了设计结果。

消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

本文根据像差理论,开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式,该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散,并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构,使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果,本文设计了光谱范围为380~780 nm,数值孔径为0.15,光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构,大大简化了后续优化的复杂程度。

中长波红外双波段自由曲面棱镜

为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题,提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法,实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段(3.7~4.8μm和8.0~12.0μm)红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处,系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数(MTF)分别高于0.79和0.67。经公差分析可知,该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时,完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。

红外自由曲面棱镜的高精度补偿加工方法

为实现自由曲面棱镜的高精度制造,首先分析加工误差对自由曲面棱镜的成像性能影响,根据误差分析设计专用夹具,用于控制各曲面加工的中心位置。然后,提出一种基于在位与离线检测技术相结合的自由曲面棱镜高精度补偿车削加工方法,用以监测在加工过程中各阶段的定位误差量,并将误差量反馈于车削的补偿修正,这种方法极大地提升了自由曲面棱镜的加工精度。最后,对自由曲面棱镜台阶面和自由曲面棱镜分别进行了角度误差分析和成像性能检测,得到自由曲面棱镜台阶面的最大角度加工误差为0.03°,自由曲面棱镜在全视场实际成像效果清晰,证明了所提出的补偿加工方法的精度和可行性。

基于双棱镜结构的双通道头盔显示光学系统设计

针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求,提出双自由曲面棱镜结构,利用离轴折/反射的原理,设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数,构建了双棱镜模型,运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论,迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm,出瞳直径为8.5 mm,出瞳距离为21 mm,体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°,全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3,透射通道视场为52°,全视场调制传递函数值在30 cycle/(°)处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析,结果表明,在出瞳直径范围内,人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。

折/反射式离轴头盔显示器光学系统设计

针对头盔显示器质量小、尺寸合适及结构紧凑方面的需求,利用离轴折/反射式原理设计一款头盔显示器光学系统,采用单片式自由曲面棱镜解决出瞳直径小的问题。设计的系统参数如下:出瞳直径8 mm,视场角20°(H)×15°(V),出瞳距离20 mm,配合0.47in的OLED-XLTM显示屏,显示区域9.6 mm×7.2 mm,像素数640pixel×480pixel,像元尺寸15μm×15μm。采用单个元件设计,体积小于13mm×25mm×17mm,所用材料为K26R,在30lp/mm时全视场调制传递函数大于0.25。该系统采用单个元件设计,兼顾成像质量的同时,使光学系统的体积和质量更小。