大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计.pdf

《大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第4O卷第7期光子学报Vo1．40No．72011年7月ACTAPHOTONICASlNICAJuly2011文章编号：1004—4213(2011)07—105I-4大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计杨波，韦晓娜，张薇，庄松林(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)摘要：头盔显示器系统由于自身对尺寸和重量有严格要求，采用自由曲面器件可以起到减少透镜片数，从而缩小系统尺寸、减轻重量等作用．针对目前单片式自由曲面棱镜解决方案存在的出瞳直径小，棱镜自由曲面光学面加工定位困难等问题，介绍了一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法，并给出了设计结果．设计方案

2、采用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片式结构，棱镜和薄透镜都各自含有一个平面光学面，有效降低了加工难度，同时薄透镜与显示器可以作为一个整体调整，不增加装调难度，采用0．6l寸微型显示器，对角视场45。，出瞳直径达到了10mm．关键词：自由曲面；光学元件；光学设计；成像系统；非对称结构中图分类号：o43；TP39文献标识码：Adoi：10．3788／gzxb20114007．1051数大，采用的作为图像源的微型显示器尺寸较大．对0引言于双目头戴式显示器系统而言，由于人眼的瞳距差随着科学技术的发展，光电产业对光学系统的异较大(54～70ram)，头戴式显示器出瞳直径如果性能要求也越来越高

3、．现代光电系统正朝小型化、高太小，对不同使用者可能需要调节瞳距，否则可能看性能方向发展，因而要求相应的光学系统以较紧凑不到图像．此外，如果出瞳直径较小，头盔佩戴时定的结构实现较高的成像质量．光学制造技术的进步位不准也会导致使用者看不到图像．目前的单片自也为批量生产具有复杂、不规则面形的光学元件提由曲面棱镜式方案大多使用3个或更多的自由曲面供了便利l_1]．近年来自由曲面光学系统CAD已成光学面，并且每个面都具有偏心和倾斜，在加工每个为国内外光学设计领域的一个研究热点，越来越多光学表面时，由于基准很难确定，加工准确度很难保的新型高性能光学系统已经采用自由曲面光学元件证．本文介绍了

4、一种大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统的设计方法，并给出了设计结果．设计方案采作为其核心器件l2L6_．用了自由曲面棱镜和薄透镜的双片式结构，棱镜和自由曲面头盔显示器是一种典型的现代光电显薄透镜都各自含有一个平面光学面，极大降低了加示系统，对头盔显示器的要求为佩戴舒适、结构紧工难度，同时薄透镜与显示器可以作为一个整体调凑、体积小、成像质量好和尽可能大的视场．传统的整，不增加装调难度，采用0．61寸微型显示器，对角共轴目镜结构形式无法解决系统对视场角、出瞳距视场45。，出瞳直径达到了10mm．离的要求与小型轻量化之间的矛盾．为了适应系统需求，采用自由曲面设计目视光学系统，既能获得大

5、1自由曲面头盔显示器的设计方法视场角和大出瞳距离，也能满足其他技术指标．头盔为了实现大出瞳自由曲面头盔显示器光学系统显示器在多媒体娱乐、军事、工业、医疗等领域都具的设计，首先选定系统结构形式．采用由自由曲面棱有巨大的应用价值和市场．镜和薄透镜构成的双片式结构，系统结构如图1．附鉴于自由曲面在头戴式显示器的光学系统中带图中光学元件及表面序号从出瞳(眼瞳)开始为表面来的益处，已有国内外很多研究机构及企业例如奥1．自由曲面棱镜有三个光学表面，但其中只有两个林巴斯、佳能等申请了关于自由曲面头戴式显示器面是自由曲面，分别为附图中的面2和面3，棱镜的的多项发明专利，大都采用了单片式自由曲面

6、棱镜第三个光学表面顶面4为平面．其中表面2相对于结构[。．这些方案共同的缺点是出瞳直径较小，F基金项目：上海市教委科研创新项目基金(No．10YZ98)和上海市研究生创新基金(No．JWCXSL1022)资助第一作者：杨波(1977一)，男，副教授，博士，主要研究方向为光学／Rit~CAD．Email：yangbo@tlSSt．edu．GFI通讯作者：韦晓娜(1986一)，女，硕士研究生，主要研究方向为光学设计．Email：alnawei@126．c。m收稿日期：2010一l2—31；修回日期：2011—02—28光子学报·观察者侧为凹面形状的透射面，表面3相对于观察系数，A是

7、4，6，8，10，⋯2阶非球面系数，关于者侧为凹面形状的反射面，外侧镀有反射膜层．自由轴旋转对称，P是4，6，8，lO，⋯2阶非旋转对称曲面薄透镜有两个光学表面5和6，其中面5是自系数．由曲面，面6为平面与微型显示器表面重合．系统采zc(z’Y一研_二二=F+十(24yZ+十用反向光路设计，光线从人眼位置面1出发，经过自由曲面棱镜折反射后再经过自由曲面薄透镜最后在c6z+f7Y。+C9yx+c11Y+C13Y,774-c15．2C4-图像显示器所在平面成像．实际光路是微型显示器C16Y4-C