轻量化头戴显示器光学系统设计

发布时间：2018-04-20 13:06

  本文选题：光学设计 + 初始结构　； 参考：《光学学报》2015年10期

【摘要】：虚拟现实头戴显示器(HMD)的光学系统应具有较大的视场角和出瞳,同时应具有重量轻和厚度薄的特性,从而适应人体的佩戴需要。为了同时满足这些要求,详细描述了一种基于初级像差理论的头戴显示器光学系统设计方法。根据这个方法,用两种聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC),设计了双片式的头盔系统,其出瞳直径为8 mm,视场角为70°。系统总长小于70 mm,镜头的总质量小于30 g。全视场相对照度大于0.4,其轴上像差和轴外像差都得到了有效校正,边缘视场点列图光斑半径在70μm左右,各个视场的调制传递函数(MTF)曲线分布较为均匀,同时中心视场和边缘视场的MTF值在8 cycle/mm处分别为0.6和0.4左右,最大畸变小于2%,实际加工的系统对标准分辨率板的成像像质能够满足使用要求。
[Abstract]:The optical system of virtual reality headset display (HMD) should have large field of view angle and exit pupil, at the same time, it should have the characteristics of light weight and thin thickness, so as to meet the needs of human body. In order to meet these requirements, an optical system design method for headwear display based on primary aberration theory is described in detail. According to this method, two kinds of polymer materials, poly (methyl methacrylate) (PMMA) and polycarbonate (PC), are used to design a two-piece helmet system with an output pupil diameter of 8 mm and a field of view angle of 70 掳. The total length of the system is less than 70 mm and the total mass of the lens is less than 30 g. When the relative illumination of the whole field of view is greater than 0.4, both the aberration on the axis and the aberration out of the axis have been corrected effectively. The radius of the spot of the edge field of view is about 70 渭 m, and the MTF curve of each field of view is more uniform. At the same time, the MTF values of the central field of view and the edge field of view are about 0.6 and 0.4 at 8 cycle/mm, respectively, and the maximum distortion is less than 2. The image quality of the standard resolution plate can be satisfied by the actual processing system.
【作者单位】： 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室;中国科学院大学;合肥电子工程学院;
【基金】：上海市科技人才计划项目(14YF1406300) 国家国际科技合作专项(2011DFR10010)
【分类号】：TP368.33;TP391.9

【参考文献】

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1 卢海平;刘伟奇;康玉思;魏忠伦;冯睿;付瀚毅;;超大视场头盔显示光学系统设计[J];光学精密工程;2012年05期

2 张慧娟,王肇圻,卢振武;折/衍混合微光夜视头盔显示器光学系统设计[J];光学学报;2004年10期

3 赵顺龙;王肇圻;;超轻小型投影式头盔显示系统折-衍混合物镜设计[J];光学学报;2006年02期

4 卢海平;刘伟奇;康玉思;魏忠伦;冯睿;付翰毅;;全景三维立体头盔显示光学系统设计[J];光学学报;2012年05期

5 王琼华;潘冬冬;李小方;李大海;廖咏川;;自由立体显示器观看者瞳孔直径与视疲劳关系[J];光子学报;2011年03期

6 呼新荣;刘英;王健;孙强;;半透膜阵列平板波导式头戴显示器光学系统设计[J];光学学报;2014年09期

7 周海宪;头盔显示技术的发展[J];红外技术;2002年06期

8 张慧娟;用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜[J];中国激光;2005年06期

9 陈云亮;李铁才;邱祥辉;;头戴显示器中自由曲面棱镜的设计[J];应用光学;2009年04期

【共引文献】

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1 杨胜杰;;含高次塑料非球面的头盔微光夜视物镜设计[J];电光与控制;2009年01期

2 赵国荣;刘涛;李冀鑫;;头盔显示器图像源技术研究[J];光电子技术与信息;2006年02期

3 刘涛,赵国荣,李冀鑫;头盔显示器的光电技术发展研究[J];光电技术应用;2005年03期

4 李小方;王琼华;李大海;王勤;;柱透镜光栅3D显示器的视差范围与立体观看视疲劳的关系[J];光电子.激光;2012年05期

5 卢东杰;;大视场头戴显示器自由曲面棱镜的设计[J];硅谷;2011年08期

6 耿聪;陈海清;;双目显示器客观检查仪系统设计[J];光学与光电技术;2007年04期

7 范长江;王肇圻;孙强;;双层衍射元件在投影式头盔光学系统设计中的应用[J];光学精密工程;2007年11期

8 姜洋;孙强;谷立山;刘英;李淳;王健;;折/衍混合自由曲面式头戴显示器光学系统设计[J];光学精密工程;2011年03期

9 卢海平;刘伟奇;康玉思;魏忠伦;冯睿;付瀚毅;;超大视场头盔显示光学系统设计[J];光学精密工程;2012年05期

10 王健;刘英;郭帮辉;孙强;卢振武;;离轴回转对称棱镜式头戴显示器目镜的研制[J];光学精密工程;2012年07期

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1 张楠;翁冬冬;王涌天;李璇;刘有海;;一种大视场普及型头盔显示器的系统设计[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年

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2 张虎;矢量像差理论及其在离轴头盔显示系统设计中的应用[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

3 杨亮亮;多层衍射光学元件衍射效率的研究[D];长春理工大学;2013年

4 刘涛;衍射光学元件的冷反射特性研究[D];长春理工大学;2013年

5 吕伟振;大屏幕超薄投影显示技术的研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

6 王超;自由曲面表征函数及其应用研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

7 王钰;含自由曲面反射望远系统装调研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2014年

8 孟祥翔;大视场虚拟现实头盔显示器光学系统研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

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1 倪江楠;光学自由曲面检测光路方案及关键部件设计研究[D];南京理工大学;2011年

2 李召鑫;基于图像处理的头盔空间位置测量[D];浙江大学;2012年

3 刘辉;基于平板波导的头盔显示技术研究[D];浙江大学;2012年

4 朱进;光学自由曲面面形描述方法和光线追迹模型的研究[D];南京理工大学;2012年

5 杨敏娜;头盔式近眼显示技术研究[D];西安工业大学;2012年

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7 孟举;基于视频图像处理的头部位置跟踪算法研究[D];西北工业大学;2007年

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9 宋岩峰;现代红外光学系统设计[D];西安电子科技大学;2008年

10 余勇;双目微光夜视头盔全息组合器的设计与研究[D];南京理工大学;2008年

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3 孙强,王肇圻,李凤友,曹召良,卢振武;红外3.2～4.5μm波段折射/衍射光学系统的减热差设计[J];光学精密工程;2002年02期

4 张慧;丁雪梅;谭久彬;;基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜消色差方法[J];光学精密工程;2008年10期

5 孙金霞;刘建卓;孙强;方伟;;折/衍混合消热差共形光学系统的设计[J];光学精密工程;2010年04期

6 姜洋;孙强;谷立山;刘英;李淳;王健;;折/衍混合自由曲面式头戴显示器光学系统设计[J];光学精密工程;2011年03期

7 张慧娟,王肇圻,傅汝廉,母国光,卢振武;折-衍混合超广角视场目镜系统的设计[J];光学学报;2003年01期

8 常军,翁志成,姜会林,张新,丛小杰;用于空间的三反射镜光学系统设计[J];光学学报;2003年02期

9 张慧娟,王肇圻,李凤友,陈波,卢振武,母国光;折/衍混合单透镜在目镜中的应用研究[J];光学学报;2003年02期

10 张慧娟,王肇圻,赵秋玲,李凤友,曹召良,陈波,卢振武;折/衍混合增强现实头盔显示器光学系统设计[J];光学学报;2004年01期

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5 余金祥;;激光接收与瞄准合一光学系统设计[J];激光技术;1989年01期

6 ;低温监视传感器试验箱的光学系统设计[J];红外技术;1993年04期

7 ;《光学系统设计》(内部资料)[J];红外与激光工程;2008年05期

8 郝沛明，兰举生，，魏明冲，郝沛华;光照治疗仪的光学系统设计[J];光电子技术与信息;1995年05期

9 ;《光学系统设计》(内部资料)[J];红外与激光工程;2011年03期

10 王洪伟;巩青歌;王彩铃;张殿富;;一种易于制造的空间相机光学系统设计[J];光电技术应用;2013年03期

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本文编号：1777870