基于FFSP的大视场视透式头戴显示器光学系统的设计

论文摘要

头戴显示器经过四十多年的发展,取得了巨大的进步。近年来高分辨率微显示器件制造工艺和虚拟现实技术的成熟使其应用更加广泛。民用领域和现代数字化部队的需求,使头戴显示器成为很有前景的微显示设备。头戴显示器包含像源、光学和支撑三个子系统,其中光学子系统是头戴显示器中最重要的,已经由早期的共轴球面演进为多种光学形态。理想的头戴显示器光学系统应该在保证像质的同时尽量做到重量轻、体积小,传统的光学系统很难兼顾。最近十几年发展起来的自由曲面光学元件,以其特殊的光学特性在照明和成像系统中得到越来越多的应用。本文基于自由曲面棱镜,设计了一个适用于轻型大视场视透式头戴显示器的光学系统。主要工作内容和创新点如下:1)对已有的头戴显示器的光学系统进行剖析,同时针对人眼的生理结构特点,分析了光学系统的视场角、出瞳直径、出瞳距离等因素对成像质量的影响,并得到相应的约束集合,提出了50度以上大视场的目标。2)参照光学设计的基本方法,结合离轴光学系统理论,根据性能指标进行初始结构的设计。3)将系统的初始结构在Zemax软件中进行优化设计,并按本系统的特点使用多种函数对优化的结果进行分析,最后得到符合并超出性能参数目标的自由曲面棱镜。4)对头戴显示器的两种视透方式进行了分析,结合轻型化等需求实际确定了相应的视透方案。在所设计的自由曲面棱镜的基础上,将全反射膜改成半反半透膜。之后对补偿棱镜进行设计,使外界景物的畸变得到校正,获得了很好的半反半透效果。本文以接近虚拟环境下人眼最佳视场角为目标进行了光学系统的设计,避免了盲目追求大视场导致的像质损失。在大量的反复优化后,自由曲面形态下的系统光学性能已经比较理想。另外设计的校正畸变的补偿棱镜,使采用自由曲面棱镜的头戴显示器的光学视透效果得到很大提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 头戴显示器的概念和发展
• 1.2.1 虚拟显示技术和微显示器
• 1.2.2 头戴显示器的构成和应用
• 1.2.3 头戴显示器的发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 头戴显示器的光学系统
• 2.1 系统光学形态的演进
• 2.2 人眼视觉
• 2.2.1 视觉系统
• 2.2.2 人眼光学系统模型
• 2.3 图像源的选择
• 2.4 目视光学放大系统需求分析
• 2.4.1 视场角
• 2.4.2 出瞳距离
• 2.4.3 出瞳直径
• 2.4.4 分辨率
• 2.4.5 畸变
• 2.4.6 单双目
• 2.4.7 重量
• 2.4.8 光能利用率
• 2.5 系统实现可行性
• 2.5.1 自由曲面
• 2.5.2 材料的选择
• 2.6 小结
• 第三章 自由曲面棱镜设计
• 3.1 光学像差理论概述
• 3.2 目镜放大光学系统的设计
• 3.3 光学自动设计概念
• 3.4 光学自动设计原理和过程
• 3.5 系统初始结构参数的设计
• 3.5.1 自由曲面棱镜光路分析
• 3.5.2 系统设计的条件控制
• 3.5.3 初始结构设计方法
• 3.5.4 初始结构的确定
• 3.6 小结
• 第四章 自由曲面棱镜在 Zemax 中的实现和优化
• 4.1 ZEMAX 光学设计软件介绍
• 4.2 系统在ZEMAX 中的优化
• 4.3 优化结果及分析
• 4.4 小结
• 第五章 系统视透的实现
• 5.1 视透式头戴显示器的种类和区别
• 5.1.1 头戴显示器的视透方式
• 5.1.2 系统视透的实现
• 5.2 半反半透镀膜的实现
• 5.2.1 真空镀膜的原理和应用
• 5.2.2 真空镀膜应用于视透系统
• 5.3 视透补偿棱镜的设计
• 5.3.1 自由曲面棱镜的缺陷和补偿
• 5.3.2 补偿棱镜的设计和模拟
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 可改进之处和前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果