基于LCoS的头配显示器光学系统研究_张文
高精度光学头部位置定位系统
高精度光学头部位置定位系统汤勇;顾宏斌;张丛喆【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)002【摘要】针对头盔式虚拟现实系统中的头部位置跟踪,研究并实现了多摄像机下的高精度光学头部位置定位系统.通过设计初始标定方块来减小系统安装误差,使摄像机按正交方式布置,保持其光轴两两相互垂直.定位过程中以某一摄像机为基准,任意给定目标深度初值；依据摄像机成像模型计算出目标空间位置,再将该计算结果作为其他摄像机的目标深度初值进行循环迭代计算,收敛至给定精度后得到目标三维空间坐标值.最后以3个标记点空间位置为基础,依据其空间关系计算得到目标姿态角.对比实验表明,该定位方法定位精度高、计算速度快,静态位置误差为0.051 cm,动态位置误差为0.088 cm,明显超过电磁跟踪器定位精度；同时该定位系统成本低廉,不受外界金属和电磁环境干扰,可满足虚拟现实系统中高精度头部位置跟踪需求.【总页数】8页(P488-495)【作者】汤勇;顾宏斌;张丛喆【作者单位】南京林业大学汽车与交通工程学院,江苏南京210037;南京航空航天大学民航学院,江苏南京210016;南京维笛而科技有限公司,江苏南京210000【正文语种】中文【中图分类】TP391.1【相关文献】1.光学消像旋高精度位置控制 [J], 郭新胜;鱼云岐;陈洪彩;刘飞;朱红2.射电源0316＋413光学位置和“自行”的高精度测定 [J], 王叔和;唐正宏;等3.一种用于多点定位系统的实时高精度位置解算方法 [J], 马广亮;刘晓伟4.光学消像旋高精度位置控制系统的算法与实现 [J], 郭新胜;周仁魁;谭名栋;雷海丽;冯婕5.远距离高精度光学3R定位系统实现方案 [J], 邢强林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
3.7~4.8μm红外二次成像折反射式光学系统设计
3.7～4.8µm红外二次成像折反射式光学系统设计李 卓，叶宗民，孙保杰，刘文鹏（中国人民解放军91404部队，河北秦皇岛 066000）摘要：为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求，提出以RC结构为设计基础，通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。
为达到优化设计目的，结构中引入了二次成像中继镜组，解决了100%冷光阑效率问题。
通过ZEMAX建立评价函数，仿真测试表明：设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200mm，焦距380mm，结构紧凑简单，成像质量满足实际测量需求。
关键词：中波红外；光学系统设计；折反射式光学系统；二次成像中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2021)12-1193-05Design of a 3.7～4.8µm Catadioptric Secondary Imaging MWIR Optical Sy s temLI Zhuo，YE Zongmin，SUN Baojie，LIU Wenpeng(PLA Unit 91404, Qinhuangdao 066000, China)Abstract: The system is based on an RC structure to measure the optical characteristics of small targets and space targets. The initial structure of the reflective optical system was established by calculating the curve equation and the Gaussian formula. The re-imaging relay lens group was introduced into the structure of the system to realize the optimal design, which solves the problem of 100% cold diaphragm efficiency. The imaging quality was evaluated using Zemax, and a system with a focal length of 380 mm and a diameter of 200mm is not only compact and simple, it also meets the actual measurement requirements.Key words: MWIR, optical system design, reflective optical system, re-imaging0引言目前，空间目标的光学特性测量、侦查预警及目标识别等方面的研究逐渐受到各国军方的关注与重视。
基于无衍射光束的水平方位角测量方法研究
基于无衍射光束的水平方位角测量方法研究文章编号：1005??5630(2014)02??0095??05收稿日期：2013??11??11基金项目：973国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB714005);国家自然科学基金资助项目(51375197);湖北省自然科学基金(2009CDB181)摘要：利用无衍射光束、透镜组和CCD相机建立一种水平方位角测量方法,以提高水平方位角测量的精度和稳定性。
给出了水平方位角测量模型的构成和测量原理,阐述了整体测头的结构设计方案。
对该测量方法精度及其影响因素进行了分析,同时用Zemax模拟成像系统光路并对光路进行优化仿真。
与目前工程测量中普遍采用的方法相比,该测量方法能够获得更高的测量精度和稳定性,可用于盾构机的水平方位角测量、轴系校中曲线轴系布置等工程。
关键词：光学测量; 无衍射光束; 水平方位角; 盾构导向中图分类号：TH 74文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1005??5630.2014.02.001Study on horizontal azimuth angle measuring systembased on non??diffracting beamZHANG Xinbao, YANG Yifan(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China) Abstract：A combination measurement system for horizontal azimuth angle was put forward based onnon??diffracting beam, lens, and CCD cameras to improve the precision and stability of measuring horizontal azimuth angle in engineering. This article expounds the constitution and the measuring principle of the horizontal azimuth angle measuring model. It expounds the overall structure design of the probe. The realizable accuracy and the affecting accuracy factors of the measuring system are analyzed in detail. At the same time, Zemax is used to simulate the continuous imaging optical system and optimize the design and simulation of the optical path. The analytical results show that compared with the general method used in engineering measuring at present, the proposed measuring method can obtain much higher measurement precision and stability which can be used in the horizontal azimuth angle measuring of shield machine and the layout of curvilinear shaft??line in the rational shaft alignment.Key words：optical measurement; non??diffracting beam; horizontal azimuth angle; shield guide引言空间姿态的定位是常见的工程问题,其中窄长空间内姿态的精确测量定位更是研究难点。
基于热光学技术的空间光学系统热设计
基于热光学技术的空间光学系统热设计陈立恒;吴清文;刘巨;郭亮;于善猛【摘要】为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案.首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计.然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zernike多项式进行了波面拟合.最后,用Code V光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数.结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50 lp时,传递函数均超过0.5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2010(003)003【总页数】6页(P223-228)【关键词】空间光学;光学系统;热设计;热光学分析【作者】陈立恒;吴清文;刘巨;郭亮;于善猛【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】V243.5;V416.4空间遥感器是长寿命对地观测卫星的主要有效载荷，通常是具有较高分辨率的大型光学仪器。
卫星的轨道寿命与任务性质要求遥感器在严酷的空间环境下具有可靠的光学性能，因此，必须有较高的热稳定性，即良好的抵抗空间热载荷的能力。
空间光学遥感器在整个寿命期间处于真空冷黑环境中，受到不断变化的空间外热流和内部热源的影响，其温度水平和分布状态也处于不断变化之中，因此光机结构中呈现出不同部位具有不同的温度，甚至同一部位在不同时刻温度也不相同。
应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述
第 32 卷第 3 期2024 年 2 月Vol.32 No.3Feb. 2024光学精密工程Optics and Precision Engineering应用于运动平台光电跟瞄系统的惯性参考单元研究综述李醒飞1，2，何梦洁1，拓卫晓1，2*，王天宇1，韩佳欣1，王信用1（1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2.深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214000）摘要：目标的变化和任务的拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台是光电跟瞄系统的重要发展趋势。
基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit，IRU）的视轴稳定方式是克服运动平台高频扰动，实现光电跟瞄系统微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。
针对运动平台光电跟瞄系统精确指向对载体基座扰动抑制的需求，分析和对比了IRU的各种技术方案，特别介绍了利用低噪声、宽频带惯性传感器敏感角扰动，并通过反馈控制实现视轴惯性稳定的系统方案。
从此类IRU系统的工作原理出发，阐述了系统的两种工作模式及功能特点，建立了系统数学模型。
然后，介绍了IRU的国内外研究进展及发展方向，指出惯性传感、支承结构和控制系统是决定IRU稳定能力的关键因素，梳理了三项关键技术的研究动态。
最后，总结了IRU的空间应用情况，并结合目前的应用需求对其未来应用领域进行了探讨。
关键词：惯性参考单元；运动平台；光电跟瞄系统；视轴稳定；扰动抑制中图分类号：V19 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20243203.0401Review on inertial reference unit applied to photoelectric tracking and pointing system of moving platform LI Xingfei1，2，HE Mengjie1，TUO Weixiao1，2*，WANG Tianyu1，HAN Jiaxin1，WANG Xinyong1（1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments， Tianjin University，Tianjin 300072， China；2.Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science， Wuxi 214000， China）* Corresponding author， E-mail： tuoweixiao@Abstract： The evolution of objectives and the broadening of tasks have heightened the need for swift ma⁃neuverability in the photoelectric tracking and pointing system. Shifting from ground⁃based to diverse mo⁃bile platforms such as vehicles, ships, aircraft, and spacecraft marks a significant trend in the development of photoelectric tracking and pointing systems. The stabilization of the line of sight using an inertial refer⁃ence unit (IRU) is essential to counteract the high⁃frequency disturbances encountered on these mobile plat⁃forms, enabling the system to achieve tracking accuracy at the micro⁃radian or even sub⁃micro⁃radian level. 文章编号1004-924X（2024）03-0401-21收稿日期：2023-06-30；修订日期：2020-08-10.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62203322）；中国博士后科学基金资助项目（No.2022M712372）；深海技术科学太湖实验室“揭榜挂帅”项目资助项目（No.2022JBGS03001）第 32 卷光学精密工程This paper delves into various IRU implementation strategies to mitigate disturbances from the carriers, ensuring precise aiming of the photoelectric tracking and pointing system on moving platforms. It highlights a system design that employs low noise and wideband inertial sensors for angle disturbance detection and achieves line of sight stabilization via feedback control. The document details the system's operational modes, functional features, constructs its mathematical model, and reviews both domestic and internation⁃al research advancements and future directions in IRU technology. It emphasizes that inertial sensing, sup⁃port structures, and control systems are critical to IRU's stabilization performance, and it organizes the lat⁃est research trends in these three vital areas. Conclusively, the paper outlines the spaceborne applications of IRU and explores potential future application domains, considering current demands.Key words： inertial reference unit；moving platform；photoelectric tracking and targeting system；line-of-sight stabilization； disturbance suppression1 引言在天文观测［1］、激光通信［2］和量子通信［3］等领域，目标的变化和任务拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台拓展是光电跟瞄系统的重要发展趋势。
制冷型被动式消热差红外光学系统设计
文章编号 2097-1842（2023）04-0853-08制冷型被动式消热差红外光学系统设计李 康1，周 峰2 *，王保华1，宫 辉1，郑国宪1（1. 北京空间机电研究所, 北京 100076；2. 北京邮电大学，北京100876）摘要：在大温差条件下，由于温度剧烈变化导致红外光学系统成像质量变差。
用于机载林火监测的大视场中波红外相机工作环境变化剧烈，对杂散辐射要求较高。
为保证光学系统在要求的大视场和大温差条件下具有稳定的性能和良好的成像质量，通过基于消热差的设计方法和基于噪声等效温差的杂散辐射综合评价方法，设计了一套制冷型中波红外光学系统。
该光学系统由6片透镜和1片滤光片组成，工作波段为3.7~4.8 μm ，F 数为2.5，焦距为62.5 mm ，视场为14.36°×10.87°，探测器采用640×512 阵列中波制冷型探测器，通过采用硅、锗材料组合，合理分配光焦度，实现了消色差和消热差设计，通过冷反射优化和冷光阑匹配设计，较好地抑制了系统的杂散辐射噪声，通过引入少量非球面优化，在满足指标要求的情况下，对高阶像差进行了校正。
结果表明，光学系统在−55~+70 °C 温度范围内，成像质量稳定良好。
关 键 词：中波红外；制冷型探测器；消热差；冷反射中图分类号：TN216 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2022-0205Passive athermalization design of a cooled infrared optical systemLI Kang 1，ZHOU Feng 2 *，WANG Bao-hua 1，GONG Hui 1，ZHENG Guo-xian 1（1. Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity , Beijing 100076, China ；2. Beijing University of Posts and Telecommunications , Beijing 100876, China ）* Corresponding author ，E-mail : zfsimon@Abstract : Under conditions with large temperature differences, the imaging quality of an infrared optical sys-tem will deteriorate due to severe temperature changes. Large field-of-view medium-wave infrared cameras for airborne forest fire monitoring work in drastically changing environments, so the optical system has high requirements for stray radiation. In order to ensure that the optical system performs stably and with good ima-ging quality in the large field-of-view and the required large temperature range, a cooled medium-wave in-frared optical system is designed based on athermalization and the comprehensive evaluation method of stray radiation based on noise equivalent temperature difference. The optical system consists of 6 lenses and 1 fil-ter with working wavelength of 3.7−4.8 μm, F-number 2.5, focal length 62.5 mm, and field of view 14.36°×10.87°, respectively. The pixel resolution of the medium-wave cooled detector is 640×512. By using a combination of silicon and germanium materials and reasonably distributing the optical power, achromatic aberration and athermalization designs are realized. Through cold reflection optimization and cold aperture matching, stray radiation noise in the system is well-suppressed. By a bit of aspheric optimization, higher-or-收稿日期：2022-09-28；修订日期：2022-11-02基金项目：高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）Supported by Major Projects for High Resolution Earth Observation System (Civilian Part)第 16 卷 第 4 期中国光学（中英文）Vol. 16 No. 42023年7月Chinese OpticsJul. 2023der aberrations are corrected based on the requirements. The results show that the imaging quality of the op-tical system is stable and good in the temperature range of −55~+70 °C.Key words: medium wave infrared；cooled detector；athermalization；cold reflection1 引 言森林是地表最重要的生态系统，基于飞艇机载的大视场中波红外成像系统是森林监测的重要工具。
凹版印刷自动套印控制系统的研制
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｕｔｏ－ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ ｔｏ ｑｕａｌｉｔｙ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｆｏｒ ｇｒａｖｕｒｅ ｐｒｅｓｓ．Ｍｏｓｔ ｏｆｔｈｅ ｗｅｌｌ．．ｋｎｏｗｎ ｇｒａｖｕｒｅ ｐｒｅｓｓ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ ｃｏｍｍａｎｄ ｓｕｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｏｗｎ．Ｔｈｅ
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本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论文的
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Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｎｅｗａｌ，ｎｅｗ ｅｑｕｉｐｍｅｍｓ ｉｍｐｏｒｔ ｉｓ ｎｏｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ／ｐｒｉｃｅ ｒａｔｉｏ，ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｔ ｈａｎｄ，ｉｓ ａ ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ ａｌｔｅｒｎａｔｅ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｔｈｅ ｔｏｐｉｃ ｏｆｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｗｏｒｋ．
Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｒｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｄｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ： ＊Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｔｈｅ ｔｗｉｎ—ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ－－ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒｐｒｉｎｔ ｅｒｒｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｍａｒｋ ｌｉｎｅ ａｓ ｂｅｎｃｈｍａｒｋ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌ ｔＯ ｅｘａｃｔｌｙ ｃａｐｔｕｒｅ ａ ｃｏｕｐｌｅ ｏｆ ｍａｒｋ ｌｉｎｅ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｊｏｉｎｔ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｖｉａ ａｕｔｏ ｇａｉｎ ｏｒ ｍａｎｕａｌ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｉｓ
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第21卷 第5期2006年10月液 晶 与 显 示ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplaysVol121,No15Oct.,2006
文章编号:1007-2780(2006)05-0478-05基于LCoS的头配显示器光学系统研究
张 文1,2,安 凯1,2,冯亚云1,2,凌志华1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理国家重点实验室,吉林长春 130033;2.中国科学院研究生院,北京 100039)
摘 要:头盔式显示器的迅猛发展对系统重量和成像质量方面提出了更高的要求。文章采用LCoS作为头配显示器的显示器件,同时利用衍射光学元件独特的负色散特性和以其任意的相位分布实现对光波面的任意相位调制的特点,在改进的Erfle目镜的基础上引入二元衍射面,台阶深度为0.142Lm,总的环带数为253,最小特征尺寸为3.31Lm。优化设计了具有30b视场,30mm有效焦距,8mm瞳径,25mm出瞳距离的目镜系统,其MTF值在全视场内整体上大于0.25,并且重量缩小为原Erfle目镜的1/8,大大减轻HMD光学系统重量,并提高了成像质量。
关 键 词:LCoS;头配显示器;二元衍射面;光学设计中图分类号:TN873.93;O432.2 文献标识码:A
收稿日期:2006-04-07;修订日期:2006-05-26 基金项目:国家/9730资助项目(No.2003CB314704)
1 引 言随着信息化社会的飞速发展,各种小型、轻量、廉价及携带方便的个人用显示器成为当前显示行业发展的焦点。由于头配显示器(HeadMountedDisplay,简称HMD)具有大画面、便携、不须手持、可实现在现实视场上同时看到需要的数据以及体验视觉图像变化带来的高临场感等特点,广泛应用于军事、娱乐、医疗、工程和模拟训练等领域[1]。头配显示器是由头盔显示器(HelmetMountedDisplay)发展而来的,它主要是利用光学系统将微显示器发出的光投影在人的眼前成放大的虚像。LCoS(LiquidCrystalonSilicon)显示因具有高像素密度、高分辨率、高开口率、高亮度、轻薄及成本低等优点[2,3],成为发展HMD的首选显示器件。在采用LCoS技术的HMD中,光学系统成为决定观看视角、成像质量、系统体积及重量最为重要的因素[4]。由于衍射光学元件可实现对光波面的任意相位调制,在改善系统成像质量、减小系统体积和重量以及降低成本等方面具有传统光学元件无可比拟的优势[5~7],所以本文在介绍LCoS技术的基础上引入衍射光学元件优化设计了一种新的HMD目镜光学系统,采用LCoS技术和这种光学系统将大大提高HMD的成像质量,减小系统重量。2 LCoS技术HMD中的显示器件经历了从小型CRT(阴极射线管)到LCD(液晶显示),再到LCoS的发展过程。LCoS是一种新型的微显示技术,它采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片,CMOS芯片和玻璃基板间夹有液晶薄层,控制电路置于显示像素的后面,可以提高开口率,从而实现更大的光输出。LCoS面板结构如图1所示。
图1 LCoS面板结构图Fig.1 StructurediagramofLCoSpanel第5期张 文,等:基于LCoS的头配显示器光学系统研究479 液晶材料位于CMOS基板与ITO玻璃板之间,并有隔垫物支撑使液晶盒保持一定的液晶层间隙及盒厚的均匀性,取向层可以确保液晶分子取向一致。控制电路包含在CMOS基板之上,并且其表层涂有铝反射层。玻璃基板用以保护液晶和稳定液晶的位置[8,9]。在上下二层基板中间散布隔垫物用来加以隔绝后,再填充液晶于基板间形成光阀,由电路的开关驱动液晶分子的旋转,从而决定画面的明与暗。在构成HMD的LCoS微显示器中所采用的是扭曲向列相液晶材料。当电压加在液晶分子上时,液晶分子会发生翻转。由光源发出的光束首先通过一个起偏器以使光波传播保持特定的偏振方向,然后在液晶介质中光的偏振方向随着液晶分子的扭曲方向的变化而变化,接着光束又经过LCoS反射表面的定向反射,再穿过一个检偏器射出。LCoS的这种反射式工作方式为HMD提供了高清晰度、高分辨力、高对比度的像源。同时采用LCoS也使得HMD在保证像质的同时耗电量低,价格便宜。单片式投影用LCoS的光学引擎如图2所示。图2 单片式LCoS光学引擎Fig.2 OpticalenginebasedonasingleLCoS3 HMD光学系统3.1 目镜光学系统设计HMD的光学系统主要由目镜系统和中继光学系统组成。目镜光学系统是HMD中扩大观看视角、缩小系统体积和减小系统重量方面很重要的部分。HMD中的目镜光学系统是典型的近目系统,但又不同于显微镜和望远镜中的目镜,它要求有较大的出瞳距离和出瞳直径。人眼的瞳孔直径一般在2~6mm,为保证使用者能始终看到图像,HMD中目镜的出瞳直径不应小于这个范围。另外为满足某些配带眼镜或防毒面具的使用者,目镜光学系统的出瞳距离不应小于20mm。目镜的视场同其焦距及像源直径有关。像源直径确定后,目镜视场越大,焦距就越短,从而系统的相对孔径就越大,系统就越难设计[10~12]。综合考虑HMD的应用要求和设计难度,这里确定目镜的设计参数视场角为30b,有效焦距为30mm,出瞳直径为8mm,出瞳距离为25mm。传统的Erfle目镜系统是使用较多的接目系统。它是由两个双胶合透镜和一个双凸透镜组成,如图3所示,它的视场角为30b,有效焦距为30mm,其中第1个双胶合透镜和双凸透镜负责光焦度分配,第2个双胶合透镜用来校正场曲和增加出瞳距离。由于该目镜仅玻璃材料的总厚度就为70mm,重为391g,使用它无法把HMD的重量控制在合适的范围内,所以这里以上述Erfle目镜为基础,在保证有效焦距、出瞳直径和视场角不变的情况下,增大出瞳距离,进行如下的优化:(1)采用两个单透镜来分别取代Erfle目镜中靠近出瞳的双胶合透镜和中间的双凸透镜,这样可以在减轻系统重量的同时,以两单透镜的凸面曲率半径和焦距作为变量,在优化函数中加入有效焦距,保证有效焦距不变,进行一级特征优化。优化时考虑到场曲等单色像差的变化,分别给有效焦距设定适当的加权。(2)采用一个凹面镜来取代另一个双胶合透镜,并以其两个曲面曲率半径和后焦距作为变量,同样在保证有效焦距不变的情况下进行一级特征优化。(3)由于二元光学面一般需要在平面基底上加工成型,所以在中间的单透镜的平面处引入衍射面[13],并进行消色差优化以及校正系统垂轴像差和畸变等单色像差的高级优化。后面对衍射面的光学特性进行了较为详细的讨论。系统中的折射元件均选用K9玻璃。采用
图3 Erfle目镜系统Fig.3 2DlayoutofErfleeyepiece480 液 晶 与 显 示第21卷Zemax光学设计软件进行设计和优化之后的结构如图4(a)所示,其中衍射面位于第二个透镜的平面处。图4(b)给出了该目镜系统在视场角为0b、15b、21b和30b对应的调制传递函数(MTF)曲线,从图中可以看到,轴上点以及视场角在15b以内的点传递函数非常好,在40lp/mm时轴上点接近0.7,15b处的点也在0.6以上;大视场的传递函数同大多数目视系统一样下降较快,但整体上大于0.25,满足一般应用中HMD的分辨率要求。同时该目镜的重量减小到50g左右,大约为原Erfle目镜的1/8,显著地减轻了系统整体重量。图4 (a)改进后的目镜系统;(b)改进后目镜系统的MTF曲线。Fig.4 (a)2Dlayoutoftheneweyepiece;(b)themodu-lationtransferfunction(MTF)oftheneweye-piece13.2 采用LCoS的HMD光学系统HMD不仅要求光学系统具有大视场、大出瞳直径和大出瞳距离,同时光学系统还必须同微显示器LCoS的尺寸相匹配。由于微显示器件尺寸越小,成本就越低。当前生产的LCoS大多小于2.54cm。对于仅由目镜构成的光学系统中,在视场角一定的情况下,微显示器的尺寸越小,对应的目镜焦距就越小,否则两者无法相匹配。如果简单缩小焦距使其满足匹配要求,则出瞳直径和出瞳距离都将大大减小;若两者仍能满足HMD要求,则系统的结构和相差将变得不能接受。因此,为解决目镜与小尺寸的LCoS相匹配的问题,这里我们引入一中继系统,与目镜共同构成HMD光学系统。由于LCoS采用反射方式来调节由光源发射的光信号,所以需要采用一个如图5所示的光学系统。它是由目镜系统(Eyepiece)、场镜(Fieldlens)、中继系统(Relaysystem)、LCoS以及光源等组成。其中中继系统由一反射镜和一个偏振光束分光器(PolarizationBeamSplitter,PBS)构成。反射镜一方面可以对LCoS的图像进行适当的放大,使其能够同后接的目镜相匹配,同时也可以给LCoS微显示器提供放置照明光源的空间。PBS是由一套两个屋脊形的棱镜构成,该棱镜带有一极化涂层并装配成立方体状,其任务是将入射光分成平行和垂直偏振的光,然后将其导引至下游的LCoS晶片上。光源放置在PBS的上方。凹面反射镜提供适当的光焦度,对LCoS微显示器显示的图像进行一定程度的放大,放大倍率由LCoS的尺寸和目镜系统的物方视场来决定。连接目镜和中继光学系统时在目镜的焦平面附近加入了一场镜,其目的是用于收集边缘视场的成像光束,同时减小球面反射镜的孔径,并改善整个系统的垂轴像差[14]。
图5 采用LCoSHMD光学系统Fig.5 SchematicdiagramofopticalsystemusedinHMDwithLCoS
3.3 二元衍射面的设计和实现二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件,为得到高衍射效率,一般做成多相位阶数的浮雕结构。一般使用N个模版可得到L=2N个相位