折/衍混合头盔显示光学系统设计研究

摘要

头盔显示器是现代显示技术的一种新技术，在增强现实、虚拟现实以及立体显示等方面有极其重要的应用。尤其是在航空航天飞行器中如何将大量的重要信息有效地展示在驾驶员眼前，一直是人们研究的焦点。头盔显示为大信息量、全天候显示打下了基础。通过分析人眼视觉特性及人机功效要求发现，用于头盔显示器的光学系统不仅要求具有高分辨率、大视场、大出瞳直径和大出瞳距离等光学性能，而且要求系统在结构上轻便紧凑。传统的头盔显示系统难以同时满足上述要求。高分辨率平板微显示器的出现及二元光学理论和设计的发展，为头盔显示系统设计开辟了新的途径。 透视型头盔显示系统，采用组合镜实现双通道显示，因此组合镜不仅影响图像源的成像质量，也影响着外界场景的观看效果。为发挥整机的最佳功效，采用护目镜离轴投射显示系统成为一种趋势。但对于偏心和倾斜的非对称光学系统设计还没有完善的像差理论，给这种头盔显示系统的实现带来了困难。 本论文正是在此背景下开展的，目的是研究建立具有最佳人机功效的现代头盔显示系统。 1.完善倾斜和偏心非对称光学系统设计的像差理论，是实现具有最佳人机功效的护目镜离轴投射显示系统的基础。本文回顾了有关倾斜和偏心非对称光学系统的设计理论，并首次利用矢量像差理论分析了具有较大倾斜角的平行平板光学系统和具有较大倾斜角的光楔光学系统的像差特性，指出该理论对倾斜和偏心的非对称光学系统设计具有指导作用。 2.分析了折/衍混合成像光学系统的设计思想，对传统透视型头盔显示器光学系统进行了改进。设计了40×30°视场用于21.8mm彩色液晶显示器图像源的折/衍混合头盔显示系统。该系统满足12mm出瞳直径、21mm出瞳距离以及XGA(1024×768)分辨率显示模式，同时系统重量仅为原头盔显示系统的53％。表明折/衍混合光学系统可以为头盔显示器提供更加理想的轻量化的成像系统。 3.对于透视型头盔显示器，护目镜离轴投射显示系统具有最佳的人机功效。本文利用矢量像差理论和折/衍混合光学系统设计思想，首次研究设计了多种类型的折/衍混合护目镜离轴投射显示系统。(1)首先运用非球面光学理论建立了抛物面型、椭球面型和满足科丁顿方程的超环面型护目镜的数学模型；(2)依据数学模型，使用ZEMAX-EE或CODE-V光学软件分别设计了20×15.4°视场用于0.5英寸图像源的抛物面型护目镜投射显示系统和25×20°视场用于0.5英寸图像源的椭球面型护目镜投射显示系统，前者满足11.5mm出瞳直径、50mm眼点距和SVGA分辨率；后者满足8mm出瞳直径、32.3mm眼点距和VGA分辨率。同时设计了50×44°和40×30°视场用于0.7英寸图像源的满足科丁顿方程的超环面型护目镜投射显示系统，前者有中间成像有利于增大系统视场满足8mm出瞳直径、22mm眼点距和SXGA分辨率；后者无中间成像有利于缩短追迹长度满足8mm出瞳直径、40mm眼点距和XGA分辨率。 4.研究设计了用于昼夜头盔显示器的红外光学成像系统。(1)首次提出利用不同光学材料间焦距位移系数的互补性，结合投影无热差图实现折/衍混合双波段消热差、消色差光学系统设计。具体设计了视场角25°，焦距100mm，F数为1.98，工作波长为3～5μm和8～11μm折/衍混合红外成像系统，该系统在-20℃～50℃的温度范围内对于轴向视场两个波段的调制传递函数值接近衍射极限，对应空间频率251p/mm，在3～5μm波段MTF接近0.75；而8～11μm波段MTF超过0.42。同时在3～5μm波段内，最大色差值不到1μm；而8～11μm波段内，最大色差也只有4μm。(2)首次提出将离轴三反系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的超光谱红外成像系统技术方案，具体设计了系统总长1060mm，口径为468mm，视场角为1.5°，F数为1.93的折/衍混合超光谱红外成像光学系统。该系统在1μm光谱波段内，变焦系统单元的最小移动距离约为12mm，保证了系统能够获得足够多的光谱探测通道。同时在空间频率为201p/mm时，轴向视场、0.7视场和全视场MTF都超过0.51。(3)设计了用于昼夜头盔显示器的折/衍混合红外物镜。该物镜安装于头盔上与液晶显示器光轴重合实现消视差，同时具有良好的像面照度均匀性和传函特性，满足视场40×30°、相对孔径1.0、像面尺寸15.9×11.9mm2。另外该物镜重量仅45g，并与目视系统构成视放大倍率为1的头盔显示系统。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1头盔显示器概况

§1.2头盔显示器光学系统设计概况

1.2.1偏心和倾斜光学系统的像差理论

1.2.2二元光学元件在成像光学系统中的应用

§1.3本论文研究的主要内容

参考文献

第二章二元光学元件的光学特性

§2.1二元光学元件的光线追迹

§2.2二元光学元件的单色初级像差特性

§2.3二元光学元件的色散性质

§2.4二元光学元件的温度特性

§2.5二元光学元件的衍射效率

§2.6小结

参考文献

第三章倾斜和偏心光学系统初级像差理论的研究

§3.1倾斜和偏心光学系统的矢量像差理论

§3.2倾斜和偏心光学元件对光学系统像差特性的影响

§3.3小结

参考文献

第四章头盔显示器光学系统

§4.1头盔显示器的工作原理

§4.2头盔显示器的显示方式

§4.3人眼的视觉作用

4.3.1人眼的生理结构

4.3.2人眼的光学系统模型

§4.4人因素对头盔显示器的光学系统设计参量的要求

4.4.1重量与重心

4.4.2出瞳距离

4.4.3出瞳直径

4.4.4瞳间距

4.4.5视场

4.4.6光学传递函数

§4.5小结

参考文献

第五章透视型头盔显示器光学系统设计研究

§5.1引言

§5.2二元衍射光学元件的特征参数

5.2.1旋转对称衍射面参数

5.2.2非旋转对称衍射面参数

§5.3折/衍混合透视型头盔显示器旋转对称光学系统设计

5.3.1设计思想

5.3.2设计结果及分析

§5.4折/衍混合护目镜离轴投射显示光学系统设计

5.4.1折/衍混合抛物面型护目镜离轴投射显示光学系统设计

5.4.2折/衍混合椭球面型护目镜离轴投射显示光学系统设计

5.4.3折/衍混合超环面型护目镜离轴投射显示光学系统设计

§5.5小结

参考文献

第六章用于昼夜型头盔显示器红外光学成像系统设计研究

§6.1引言

§6.2折/衍混合双波段消热差红外光学系统设计研究

6.2.1双波段光学系统消热差方法的研究

6.2.2双波段消热差光学系统设计结果及性能分析

§6.3折/衍混合超光谱红外成像系统设计研究

6.3.1超光谱成像技术特点

6.3.2二元衍射元件在超光谱红外成像系统设计中的应用

§6.4昼夜型头盔显示器折/衍混合红外物镜系统设计

§6.5小结

参考文献

第七章总结

§7.1论文的主要研究成果

§7.2具有创新意义的工作

§7.3进一步的研究工作

附录：攻读博士学位期间完成的论文

致谢