反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计

反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计

刘军1,2,3，黄玮2,3

【摘 要】摘要：头盔显示器(HMD)作为一种头戴目视设备，具有小型化、轻量化的特点，同时为了获得良好的佩戴体验，要求合理的出瞳距、出瞳直径以及视场。为了同时满足头盔显示器的上述要求，采用紧凑的双反射镜结构来满足头盔显示器对体积和重量的要求，应用自由曲面增加设计自由度来校正大视场和非旋转对称结构引入的像差，并阐述了自由曲面补偿非旋转对称光学系统像差的基本原理以及该光学系统的设计方法与过程。该光学系统无色差，视场为50°×25°，出瞳大小为8 mm，出瞳距大于27 mm。在奈奎斯特频率处全视场的调制传递函数大于0.4，可应用于新一代头盔显示技术。 【期刊名称】红外与激光工程 【年(卷),期】2016(045)010 【总页数】6

【关键词】光学设计；自由曲面；头盔显示；反射式光学系统

0 引言

头盔显示器(HMD)已经从原来的军用领域扩展到工业、医疗、教育、游戏等民用领域，具有广泛的应用前景。头盔显示器的可佩戴性与大视场、高像质之间的矛盾一直是光学设计者的研究重点和难点。作为一种头戴设备，其对体积和重量有着严格的要求，意味着在设计过程中必须使用尽量少的光学元件以及紧凑的结构。光学元件数量的减少导致设计自由度减少，因此传统的目镜很难同时达到大视场、小型轻量化的设计目标。

自由曲面的非对称性为光学设计者提供了更多的设计自由度，同时其灵活的空