投影式头盔光学系统设计及视空间评价的研究

摘要

本文基于投影式头盔显示系统展开研究，以其光学系统设计和视空间评价为主要研究方向。主要的研究工作有以下三部分： 1.投影式头盔系统应用广泛，且可以满足成像质量高，结构轻便紧凑的要求。根据投影式头盔系统在虚拟现实领域中的使用需要，设计出一款3片式45°视场的折/衍混和头盔物镜系统，文中给出了详细的设计过程并对其MTIF(调制传递函数)进行了精确的视空间评价。系统针对1.1英寸彩色L,CD设计，分辨率满足SXGA显示模式，其出瞳直径为10mm，出瞳距离大于20mm，像差分析表明各项指标均达到或超过了设计要求。系统仅重2.2g，直径仅为14.6 mm，实现了头盔系统的超轻小设计。对其MTF的视空间评价显示：对于3mm瞳孔，该系统中心视场的MTF在0.5 cycles/arc min处为0.50，远大于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，能够满足虚拟现实领域的使用需要。 2.头盔系统的视空间性能评价对预知其可用性有重要意义。文中提出理想透镜像距不变，通过改变其焦距来模拟人眼调节完成视空间性能评价的新方法，更接近人眼的实际情况。文中对所设计的45°投影式头盔物镜系统进行了精确的视空间评价。其MTF评价结果显示，系统在眼睛注视0°视场时可达到1 arc minute的分辨率；注视+13.1°视场时可达到1.4arc minute的分辨率。眼睛无论是注视0°视场还是+13.1°视场，只有在一定的视场范围内，调节模糊和像散模糊才不会影响图像的清晰程度，且系统的横向色差和二级光谱均小于人眼的最小分辨角，不会对成像清晰度造成影响。眼睛注视+13.1°视场时，系统的调节和调节模糊、像散和像散模糊、横向色差和二级光谱均具有明显的非对称性。此外，与改变理想透镜像距进行视空间评价的结果相比较，当注视13.1°视场时的MTF差别较大，其余的评价指标差别相对较小。此物镜满足HMPDs系统的实际使用需要。 3.进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法，首次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，首次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，轴上视场可以达到人眼最小分辨角，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率满足使用需要。由于系统的光学优化是基于眼模型下的最优成像，因而使头盔显示器更好的满足了人因素的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节头盔显示器概况

1.1.1头盔显示器的发展历史及现状

1.1.2头盔显示器的分类

第二节衍射光学元件及折/衍混合光学系统概况

第三节投影式头盔显示器

第四节头盔显示系统在视空间的性能评价

第五节本论文的研究意义和主要工作

参考文献

第二章投影式头盔显示器及视空间评价

第一节投影式头盔显示器

2.1.1投影式头盔显示器概述

2.1.2常见类型头盔显示器的缺陷

2.1.3投影式头盔显示器的特殊性能

2.1.4投影式头盔显示器的应用

第二节人眼的生理结构及光学系统模型

2.2.1人眼的生理结构

2.2.2人眼的光学系统模型

第三节人因素对头盔显示器光学系统参量的要求

2.3.1出瞳距离

2.3.2出瞳直径

2.3.3瞳间距(IOD)

2.3.4视场(FOV)

第四节头盔显示器在视空间的性能评价

2.4.1调制传递函数(MTF)

2.4.2调节和像散

2.4.3横向色差和二级光谱

2.4.5视空间评价中的眼睛转动问题

第五节总结

参考文献

第三章虚拟现实投影式头盔光学系统设计和视空间评价

第一节引言

第二节二元衍射光学元件的特征参数

第三节投影式头盔物镜系统设计

3.3.1设计参数要求

3.3.2折射投影物镜设计

3.3.3折/衍混合投影物镜设计

第四节对MTF的视空间评价

第五节总结

参考文献

第四章一款投影式头盔在视空间的性能评价

第一节选题意义

第二节视空间像质评价

4.2.1 MTF

4.2.2调节和像散

4.2.3横向色差和二级光谱

第三节总结

参考文献

第五章眼模型指导下的光学系统设计及视空间评价

第一节选题意义

第二节原始物镜系统评价结果

第三节眼模型指导下的物镜系统设计及评价结果

第四节总结

参考文献

第六章结束语

第一节主要研究成果

第二节本论文的主要创新点

第三节进一步的研究工作

致谢

个人简历及发表的学术论文