折/衍混合投影式头盔显示光学系统设计研究

摘要

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。而传统的头盔显示系统难以同时满足上述要求。二元光学的发展，为头盔显示系统设计开辟了新的途径，在一定程度上促进了头盔系统的轻小化设计。随着头盔显示器的发展，人们对其在增大视场、成像质量、简化结构、轻量化方面提出了更高的要求，二元光学元件已经不能从根本上解决头盔系统的高性能和轻小化问题了。 投影式头盔系统是上世纪九十年代末和本世纪初发展起来的一种新型的头盔显示器，能在保持系统高性能的同时实现其轻小化设计。它是基于投影物镜和回射屏的，与传统的头盔系统有本质的区别，可以获得更小的体积和重量、更大的视场以及更小的像差，尤其是畸变。投影式头盔在医学可视化培训、交互环境、数字化个兵等领域有重要的应用，并正在成为国际上二十一世纪光显示领域高新技术产业的一个新兴热点。 本论文以折/衍混合投影式头盔显示光学系统为研究方向，主要的研究工作如下： 1.分析了基于目镜的几种头盔显示器的缺陷和投影式头盔显示器的优势；设计了可用于投影式头盔显示器的两款投影物镜——50°视场折射系统和50°视场折/衍混合系统；基于折/衍混合物镜设计了投影式头盔显示光学系统，该系统针对1.3英寸彩色LCD设计，出瞳直径为12mm，出瞳距离为25mm。像差分析说明三个系统各项指标均达到或超过了设计要求，且能完成VGA模式图像的显示。其中，折射系统重27.4g，折/衍系统仅重13g，证明了二元面的引入可以实现头盔光学系统的轻量化设计；折射和折/衍混合投影系统的镜头直径分别只有24.6mm和23.4mm，十分有利于双目设计。 2.设计了微光夜视头盔的光学系统。其中物镜视场为±18°，f/＃为1.43，由6片透镜组成，含有一个二元面，可兼容输入面尺φ18mm二代微光像增强器；将投影式结构用于微光夜视仪的目视系统，其出瞳直径和出瞳距离满足头盔显示的要求。投影式目视系统表现出了传统目镜系统不可比拟的优势，它对于减小夜视眼镜的突出量，降低重心，减小佩戴者的颈部负担，提高其成像质量都具有重要作用。它为微光夜视仪的目视系统设计提供了一种全新的思想和概念。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1头盔显示器概况

1.2二元光学元件概况

1.3投影式头盔显示器的提出

1.4本论文的主要工作

第二章二元光学元件的光学特性

2.1二元光学元件的相位分布

2.2二元光学元件的色散性质

2.2.1二元光学元件的等效阿贝数

2.2.2二元光学元件的部分色散性质

2.2.3折/衍混合系统实现消色差

2.3二元光学元件的衍射效率

2.3.1连续相位衍射元件的衍射效率

2.3.2二元衍射元件的衍射效率

2.4二元光学元件的特征参数

第三章投影式头盔显示光学系统

3.1常见类型头盔显示器的缺陷

3.2投影式头盔显示器

3.3设计参数要求

3.4 50°视场投影式头盔显示器设计

3.4.1 50°视场折射投影物镜设计

3.4.2 50°视场折/衍混合投影物镜设计

3.4.3基于折/衍混合物镜的投影式头盔显示器设计

3.4.4小结

第四章微光夜视光学系统设计

4.1微光夜视系统概况

4.2微光折/衍混合物镜设计

4.2.1设计目标

4.2.2设计结果

4.3投影式微光目视系统设计

4.3.1设计参数要求

4.3.2设计结果及分析

4.4小结

第五章结束语

5.1论文的主要研究成果

5.2进一步的研究工作

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢