大视场虚拟现实头盔显示器光学系统研究.pdf

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1、密级:国料fk院tlniesityofChiEese^AcjoHim•示器姓髓I}；科专业：?M201：独创性声明木人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。木声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：—曰期：Wf-学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有关保留、使用学位论

2、文的规定，即：中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有权保留并句国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。(保密的学位论文在解密后适用木授权书）学位论文作者毕业后去向电邮is:工作单位：si通讯地址：密级:（）博士学位论文大视场虚拟现实头盔显示器光学系统研究作者姓名：孟祥翔指导教师:刘伟奇研究员中国科学

3、院长春光学精密机械与物理研究所学位类别:理学博士学科专业:光学培养单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2015年5月StudyonLargeFieldofViewOpticalSystemofVirtualRealityHead-mountedDisplayByMengXiangxiangADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthe

4、degreeofDoctorofScienceChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,ChinaMay,2015摘要大视场虚拟现实头盔显示器光学系统研究孟祥翔（光学）导师：刘伟奇摘要虚拟现实是利用计算机生成多感知的数字化环境并使人与之发生交互作用的技术，在航空航天、军事训练、模拟仿真、虚拟设计、医疗、教育、娱乐等领域有着非常广泛的应用。虚拟现实技术既包括完全脱离现实环境的沉浸式虚拟现实，也包括叠加于现实

5、环境之上的增强现实。头盔显示器是虚拟现实技术中的关键设备，承担着视觉信息的模拟仿真。大视场头盔显示器所实现的沉浸感是虚拟现实技术的一个重要特征，视场越大，沉浸感越强。但对于固定的显示屏，在增大视场的同时，会导致分辨率的降低。随着显示屏制造技术的不断发展，像素密度和像素数目不断提高，在为头盔显示器提供更多选择的同时也对其光学系统的设计提出了更高的要求。部分双目重叠是一种扩大双目视场范围并且保证分辨率不变的有效方法，其前提是优良的大视场单目光学系统设计。本文对大视场虚拟现实头盔显示器光学系统进行了深入研究。主要内容如

6、下：(1)理论分析了目视光学系统的轮廓尺寸计算和像差特性；分析了提高视场大小对于同轴和离轴两种结构带来的设计难点，为HMD光学系统的设计提供了理论依据。以人眼特性为依据，分析了HMD的主要设计要求及指标。(2)推导了发散式部分双目重叠形式的单目视场、双目视场、重叠视场之间的关系式。分析了大视场低畸变的双椭球HMD在对除畸变以外的其他像差校正的局限性。提出了一种基于双自由曲面反射镜的大视场HMD光学系统，与双椭球结构对比，新结构使得系统MTF提高两倍左右，并简化了中继透镜组和后继透镜组，避免了“W”或“M”形非球面

7、透镜面形的出现。系统出瞳直径8mm，单目视场范围为：106.3°(H)×80°(V)，最大相对畸变为6.97%，单目像I中国科学院大学博士学位论文：大视场头盔显示器光学系统研究素分辨率为1920×1200。采用光轴向外倾斜的部分双目重叠形式，光轴向外各倾斜8°，双目水平视场范围为122.3°(H)×80°(V)，双目重叠水平视场为90.3°。(3)分析了同轴广角目镜的像差特点，采用三片玻璃透镜和一片塑料透镜，引入五个非球面，实现了基于同轴结构的对角视场不小于114°、全视场相对畸变值小于9.6%、像元分辨率为19

8、20×1080的虚拟现实头盔单目光学系统设计。系统出瞳直径10mm，单目视场范围为：105.6°(H)×73.08°(V)。采用光轴向外倾斜的部分双目重叠形式，光轴向外各倾斜18°，双目水平视场范围为141.6°(H)×73.08°(V)，双目重叠水平视场为69.6°。(4)分析了同轴大视场HMD单目光学系统的加工公差和装配公差，并数值分析验证了非球面面形精度公差范围。采