（光学工程专业论文）折衍混合头盔显示光学系统研究.pdf

平板显示技术的发展使头盔显示器逐渐克服了重量大、体积大、功耗大、工 作电压高等缺点，为更加广泛的应用提供了前提。除在军事上的应用外，目前头 盔显示的应用领域已经扩展到包括虚拟现实、工业生产、模拟训练、显微技术、 医疗、娱乐等社会发展的各个方面，世界各国都加紧了在这一领域的研究和开发。 各种用途的头盔显示的迅速发展给相应的光学系统提出了更高的要求，除要求光 学系统满足高分辨率、大视场、大出瞳直径和大出瞳距离等参量外，还要求在结 构上轻便紧凑。传统的光学系统大多结构复杂，难以实现轻小化。二元光学的发 展为光学系统设计带来了新的希望。二元衍射光学元件作为一种成像元件，具有 任意相位分布性质、特殊色散性质、平像场性质、温度稳定性质以及薄型元件性 质。这些性质决定了它在成像光学系统中的地位和作用。折衍混合成像系统充分 利用了几侗光学元件和衍射光学元件各自的优点，有效地简化系统结构、减轻重 量、缩小体积和改善成像质量，可以实现许多传统成像光学不能达到的目标。因 此将折脚i 混合成像系统用于头盔显示，对于提高系统性能、简化结构、减轻重量 具有重要的意义。本文考虑头盔显示中的人因素，确定光学系统的理想设计参数， 设计了用于虚拟现实、立体显示、娱乐等的头盔显示器的折衍混合光学成像系统。 主要做了以下工作： 1 基于人眼光学系统模型，通过比较z e r n i k e 标准多项式系数，研究了角膜非 球面、晶状体非球面和晶状体梯度折射率对人眼光学系统成像质量的影响，为进 一步研究人眼光学成像系统提供了基础。 2 为提供更好的视觉效果，考虑人因素确定头盔显示用目镜的理想设计参数。 在传统系统中引入二元衍射面，具体设计了6 0 。视场和4 0 0 视场的折衍混合目镜， 并分析了二元面的特征尺寸，结果表明折衍混合光学系统可以为头盔显示器提供 更加理想的轻量化的成像系统。选择c o o k e 物镜同大视场折，衍混合目镜组合，设 计了用于头盔显示人因素参量研究的光学系统。 3 平板显示器尺寸越小，成本越低；但小尺寸的图像源用于大视场显示时， 光学成像系统的相对孑l 径将增大，设计难度增加。考虑具体图像源尺寸，研究设 计了用于头盔微显示的折衍混合目视系统。( 1 ) 首先提出引入中继系统设计方案。 保证满足要求的出瞳直径和出瞳距离，通过引入反射中继镜，实现折衍混合接目 镜同小尺寸图像源之间的匹配，具体设计了6 0 。视场和4 0 。视场用于0 7 英寸图像 源的显示系统。前者满足1 0 m m 出瞳直径、2 2 m m 出瞳距离和v g a 分辨率：后者 南开大学博士生学位论文 满足1 0 m m 出瞳直径、3 2 m m 出瞳距离和s x g a 分辨率。( 2 ) 同时探讨了折衍混 合光学系统更有效的像差校正方法，引入奇数非球面同二元面组合平衡像差，具 体设计了4 0 。视场头盔微显示系统，出瞳直径为1 0 m m ，出瞳距离为2 5 m m ，可直 接用于1 i 英寸图像源s x g a 分辨率的显示。 4 设计了用于微光夜视头盔显示的折，衍混合物镜和目视系统。折，衍混合物镜 在满足一定的像面照度均匀性的前提下，系统传递函数特性良好，视场为4 0 。、相 对孔径为1 1 2 5 、像面尺寸为1 8 r a m 、重量为2 5 9 。对应于像增强器，目镜设计为 单色系统，满足4 0 。视场、1 8 m m 图像源尺寸、1 0 r a m 出瞳直径和2 5 r a m 出瞳距离。 折衍混合物镜和目镜实现畸变补偿，构成视放大倍率为1 的光学成像系统。 关键词：头盔显示，光学成像系统，折衍混合，微显示，微光夜视 i i a b s t r a c t h e a d m o u n t e dd i s p l a y ( h m d ) h a sc o n q u e r e dd e f e c t si nb i gw e i g h t ，l a r g ev o l u m e ， m u c hp o w e r , a n dh i g hw o r k i n gv o l t a g ee ta l ，d u et ot h ed e v e l o p m e n t so ff i a tp a n e l d i s p l a yd e v i c e s ，w h i c hw o u l dp r o m o t et h e m o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o n s o fh m d b e s i d e si nm i l i t a r y , h m dc a nb eu s e di nv i r t u a lr e a l i t y , i n d u s t r yp r o d u c t i o n ，s i m u l a t e t r a i n i n g ，m i c r o - t e c h n i q u e ，m e d i c a la t t e n d a n c e ，e n t e r t a i n m e n t ，a n d s oo n m a n yc o u n t r i e s g i v em o r ea t t e n t i o n st ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t m o d e mh m d sp r e s e n t m o r e r e q u i r e m e n t so no p t i c a li m a g i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d eh i g hr e s o l u t i o n ，w i d ef i e l do f v i e w ( f o v ) ，b i ge x i tp u p i l ，l o n ge y er e l i e f , a n dm o r ec o m p a c ts t r u c t u r e t r a d i t i o n a l s y s t e m sa r em o s tc o m p l i c a t e da n dp o n d e r o u s b i n a r yo p t i c sb r o u g h t t h en e wi d e af o r o p t i c a ld e s i g n a so n ek i n do fi m a g i n ge l e m e n t s ，b i n a r yo p t i c a l l e n s e sh a v em a n y c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a sr a n d o mp h a s e d i s t r i b u t i o n ，p a r t i c u l a r d i s p e r s i o n ，f i a t f i e l d ， t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , a n dt h i n e l e m e n t ，w h i c hd e t e r m i n et h ep o s i t i o n a n da c t i o no f b i n a r ye l e m e n t si ni m a g i n go p t i c a ls y s t e m s t a k ea d v a n t a g e b o t ho f g e o m e t r i c a lo p t i c a l e l e m e n t sa n dd i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s ，h y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eo p t i c a ls y s t e m s c a ns i m p l i f ys t r u c t u r e ，l i g h t e nw e i g h t ，r e d u c ev o l u m e ，a n di m p r o v ei m a g i n gq u a l i t y e f f e c t i v e l y t h e yc a na c h i e v em a n yg o a l st h o s ec a n tb ea t t a i n e db yt r a d i t i o n a lo p t i c a l s y s t e m s s oa p p l y i n gh y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eo p t i c a ls y s t e m s i nh e a d m o u n t e d d i s p l a y w o u l db e s i g n i f i c a n t f o rb e t t e r p e r f o r m a n c e ，s i m p l i f i e d s t r u c t u r ea n d l i g h t w e i g h t c o n s i d e r i n gh u m a nf a c t o r si nh e a d - m o u n t e dd i s p l a yf o rs p e c i f i e dp a r a m e t e r s ， 、v e d e s i g n e dh y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eo p t i c a ls y s t e m sf o rh e a d m o u n t e dd i s p l a yi n v i r t u a lr e a l i t y ，s t e r e od i s p l a ya n de n t e r t a i n m e n te ta l ，t h ew o r k si nt h i st h e s i sa r e ： 1 c o n s t r u c t i n g t h e o p t i c a l m o d e lo ft h eh u m a n e y e ，a n db ya n a l y z i n g t h e c o e f f i c i e n t so ft h ez e m i k es t a n d a r dp o l y n o m i a l ，t h ee f f e c t s0 nh u m a ne y e si m a g i n g q u a l i t yo f t h ea s p h e r i cs u r f a c e so ft h ec o r n e a ，t h ea s p h e r i cs u r f a c e so ft h el e n s ，a n dt h e g r a d i e n tr e f r a c t i v ei n d e xo f t h el e n sa r ef i r s t l ys t u d i e d t h i sw o r k p r o v i d e st h eb a s i sf o r f u r t h e rs t u d yo n o p t i c a ls y s t e m o f t h eh u m a n e y e 2 f o rb e t t e rv i s u a le f f e c t ，t h ei d e a l p a r a m e t e r so ft h ee y e p i e c e f o rh m da r e s p e c i f i e d ，b yc o n s i d e r i n g t h eh u m a n f a c t o r s i n t r o d u c i n g t h eb i n a r ys u r f a c ei nt r a d i t i o n a l s y s t e m t h eh y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v ee y e p i e c e sw i t h6 0 。f o va n d4 0 。f o va r e d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cs i z eo ft h eb i n a r ys u r f a c ei sa n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t h y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v es y s t e mc a np r o v i d eb e t t e ra n dl i g h t e r 1 1 1 南开大学博士生学位论文 o p t i c a ls y s t e mf o rh m d c o m b i n i n g t h eh y b r i de y e p i e c ew i t hl a r g ef i e l do fv i e wa n d o n ec o o k e t r i p l e t ，o n eo p t i c a ls y s t e m f o rs t u d i e so nh u m a nf a c t o r - p a r a m e t e ri sa c h i e v e d 3 t h es i z eo ft h ef l a tp a n e ld i s p l a yd e v i c ei ss m a l l e r , t h ec o s to ft h a ti sl o w e r w h i l et h es m a l l e ri m a g es o u r c ei su s e di nt h el a r g e rf o v d i s p l a y , t h er e l a t i v ea p e r t u r e o ft h e o p t i c a ls y s t e mn e e d se n l a r g i n gw h i c hw o u l da d dt h ed e s i g n i n gd i f f i c u l t i e s c o r r e s p o n d i n gs p e c i f i ci m a g es o u r c e s ，t h eh y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eo p t i c a ls y s t e m s f o rh e a d - m o u n t e dd i s p l a ya r ed e s i g n e d ( 1 ) t h es c h e m eo f r e l a ys y s t e mi sf i r s t l yp u t f o r w a r d k e e p i n gt h ee n o u g h e x i tp u p i la n de y er e l i e f , t h em a t c hb e t w e e nt h ee y e p i e c e a n dt h es m a l li m a g es o u r c ei sa c h i e v e db yv i r t u eo fo n er e f l e c t i v er e l a ys y s t e m t h e h y b r i ds y s t e mw i t h6 0 。f o v a n d4 0 。f o vf o r0 7 一i n c hi m a g es o u r c ea r ec o n c r e t e l y d e s i g n e d t h e f o r m e rm e e t s1 0 r a me x i tp u p i l ，2 2 r a me y er e l i e f ，a n dv g a r e s o l u t i o n ；t h e i a t t e rm e e t s1 0 m me x i tp u p i l ，3 2 m me y er e l i e f ，a n ds x g a r e s o l u t i o n ( 2 ) s e c o n d a r y , a m o r ee f f e c t i v em e a n so fa b e r r a t i o n sc o r r e c t i o no ft h eh y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v e s y s t e mi ss t u d i e d u s i n go n eo d da s p h e r i cs u r f a c ef o ra b e r r a t i o nb a l a n c i n g ，o n eh y b r i d e y e p i e c ef o rh e a d - m o u n t e dm i c r od i s p l a yi sd e s i g n e d ，w h i c hh a s4 0 0f ov 1 0 r a me x i t p u p i la n d2 5 r a me y er e l i e f , a n dc a nb eu s e df o rt h ed i s p l a yo f1 1 - i n c hi m a g es o u r c e w i t hs x g ar e s o l u t i o n 4t h eh y b r i dr e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eo b j e c t i v ea n de y e p i e c ef o rn i g h tv i s i o nh m d a r ed e s i g n e d t h eh y b r i do b j e c t i v eh a sb e t t e rm o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o nw i t he n o u g h i m a g ei l l u m i n a t i o nu n i f o r m i t y w i maw e i g h to f2 5 9 t h eo b j e c t i v em e e t s4 0 。f o r , l 1 2 5r e l a t i v ea p e r t u r e ，a n d1 8 r a mi m a g es i z e f o rs p e c i a li m a g ei n t e n s i f i e rt u b e 。t h e e y e p i e c e i sd e s i g n e di n t om o n o c h r o m a t i c s y s t e m ，w h i c h h a s4 0 。f o r , 1 8 r a m i m a g es i z e l0 m me x i tp u p i la n d2 5 m m e y e r e l i e f t h eh y b r i do b j e c t i v ea n dt h ee y e p i e c ec o m p o s e t h e o p t i c a li m a g i n gs y s t e mw i t h au n i t a n g u l a rm a g n i f i c a t i o n ，a n dt h ed i s t o r t i o n c o m p e n s a t i o nb e t w e e n t h eo b j e c t i v ea n dt h e e y e p i e c ei sr e a l i z e d k e yw o r d s ：h e a d m o u n t e dd i s p l a y , o p t i c a li m a g i n gs y s t e m ，r e f r a c t i v e d i f f r a c t i v e m i c r od i s p l a y , l o w l i g h tn i g h tv i s i o n 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文析肛畸擀砍岔霉示劫学系铂 叩宝 系本人 在南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 奉人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品 收求于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文 屯子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自 负。 本人完全了解i 噩珏太堂国量缠羞王堡叠! 焦且堂焦j 佥塞曲簧堡盘这k 同 意南开大学幽书馆在下述范同内免费使用本人作品的电子版： 本作品型交当年，在校吲网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文 部分浏览服务( 博十论文前2 4 页，硕十论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电 子版丁_ - 提交1 年后，在校吲网上允许读者浏览并r 载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 v 5 6 3 35 5 9 院系所名称：1 茬恿学院移学研 作者签名：起社拎 学号：。口i m 7 学 日期：2 0 0 4 ：年；月卯日 束鳢作肴、导帅问毂一 纫垒文公布 第一章绪论 第一章绪论 头盔显示( h e a d m o u n t e dd i s p l a y , 简称h m d ) 系统以引导雷达、激光与红外 装置、电视摄像等信息，成为空军、装甲部队和炮兵的先进装备，显示了它的强 大生命力。随着平板显示技术的发展，作为图像源的阴极射线管( c r t ) 逐渐被 平板微显示器件所取代，极大地促进了头盔显示器的轻量化，使头盔显示器克服 了功耗大、工作电压高等缺点，为更加广泛的应用提供了前提。目前头盔显示在 虚拟现实、工业生产、模拟训练、显微技术、医疗、娱乐等领域均有应用，已经 成为世界经济的一个重要增长点。世界各发达国家如美国、日本、欧洲等都加紧 了在这一领域的研究和开发。 平板微显示器件给头盔显示的光学系统带来根本的变化，各种用途的头盔显 示的迅速发展也给相应的光学系统提出了更高的要求。不但要求系统满足一定的 视场、出瞳直径、出瞳距离等高斯参量，还要求系统结构简化，体积小、重量轻， 另外还要考虑大视场接目镜同小图像源尺寸之间的匹配。传统的光学系统大多结 构复杂、笨重，难以实现轻小化。自从2 0 世纪8 0 年代中期以来，二元光学( b i n a r y o p t i c s ) 的发展为光学成像系统的设计带来了新的契机和希望，成为光学成像领 域最具活力的研究方向之一。由于任意相位分布、独特的色散等特点，衍射光学 元件同折射元件组合可以有效地校正色差，减轻系统重量、简化结构。因此将折 衍混合光学成像系统用于头盔显示，对于提高系统性能、促进头盔显示器的小型 化、轻量化具有重要的意义。 1 1 头盔显示器概况 头盔显示器是一种安装在头盔上、给使用者产生可视图像的小型显示装置 ”“j ，主要包括图像信息显示源、成像光学系统、定位传感系统、电路控制及连接 系统等。图像源经过光学系统在观察者前方产生一放大的图像，根据不同的应用 可以呈现不同的视觉效果，给使用者提供一种身临其境的浸入感。 头盔显示器最初用在军事上。早在第一次世界大战期间，由a l b e r tb a c o np r a t t 提出了头盔综合枪( h e l m e ti n t e g r a t e dg u n ) ”3 ，它将瞄准具( 三点一线瞄准方式) 和枪融合于同一个头盔中，由头盔佩带者的嘴控制射击，该设想获得了美国专利。 此后直到1 9 6 8 年，美国a r p a 信息处理技术办公室主任i v a ns u t h e r l a n d 建立了 南开大学博士生学位论丈 世界上第一个头盔显示器“1 ，它能显现二维图像，没有沉浸感，用户只能看到线 框图叠加在真实环境之上，采用传统的轴对称光学系统，体积和重量都很大。 1 9 7 5 年，j h c l a r k 利用i v a ns u t h e f l a n d 设计的头盔显示设备和u t a h 大学开 发的机械软件建立了一个曲面设计的交互环境。由于当时的相关技术还不成熟， 并没有产生广泛的影响，但这已是3 d 交互技术的雏形，是进入虚拟现实技术 ( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 应用的前奏。在虚拟现实技术的发展过程中，头盔显示 器逐渐得到人们愈来愈多的重视。美国军方和n a s a 等政府部门投入大量的经费 进行了该方面的研究。此后英国、法国、前苏联、德国、瑞典、以色列等国也先 后投入大量的人力、财力开展了头盔显示器的研制工作。 经过3 0 多年的发展，头盔显示器取得了巨大的进步和广泛的应用”。作为 显示器的阴极射线管( c r t ) 已逐渐被平板显示器件所取代，由于平板显示器低 功耗，低电压，而且重量轻，这使头盔显示在很大程度了克服了笨重、体积大、 功耗大、工作电压高等缺点，使其发展和应用前景更加广阔”1 。无论是要求在 现实世界的场景上同时看到需要的数据信息，还是要体验图像变化时全身心投入 的临场感，或是利用红外、显微镜等来扩展人眼的视觉能力，头盔显示都发挥了 巨大的潜力。人们做了多方尝试，已开发出了一系列通用和专用产品，应用领域扩 展到包括军事、虚拟现实、工业生产、显微技术、模拟训练、计算机辅助设计、 娱乐、医疗等社会发展的各个方面。 在头盔显示器中，观察者是通过眼前的目镜看清图像的。光学系统的设计不 仅影响到显示图像质量的好坏，还影响到头盔显示的体积和重量，以及观察者长 图ll “直接看”头盔显示光学 图1 2d a t a v i s o r 头盔显示器 系统示意图 2 第一章绪论 时间观看时是否疲劳等，因此光学系统和视觉感受是头盔显示研究的重要部分。 根据信息通道的不同，头盔显示器可分为“直接看”( d i r e c t - v i e w ) 和“穿透 看”( s e e t h r o u 【g h ) 两种模式”4 。2 “。 图1 1 给出了“直接看”模式的头盔显示系统示意图。图像源经过光学系统 成像，在观察者前方产生一个充满视野的放大的虚像，观察者只看到图像源提供 的信息，利用头盔将人们对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在 虚拟环境中的感觉，是一种全浸入式的头盔显示。该类头盔显示器多用于虚拟现 实、模拟训练、计算机娱乐和个人虚拟影院等。图1 2 给出的是n v i s i o n 公司的 一种浸入式的头盔显示器d a t a v i s o r 。 图1 3 给出了“穿透看”模式的头盔显示系统示意图。图像源的信息经中继 光学系统放大后投射在一个半透半反的组合镜上，同时前方外赛场景经过组合镜 亦可进入人的视野，即人眼通过组合镜可以同时看到图像源和外界场景的信息。 这是一种半浸入式显示，信息是双通道的，也被称为增强现实的头盔显示。目前 军用头盔显示器多属于此类。图1 4 所示的是k a i s e re l e c t r o o p t i o s ( k e o ) 公司一 种增强现实的军用头盔显示器，其图像源由单色( 绿色) c r t 提供，组合器为半 透半反镜，单目视场为4 0 。圆视场。 s e e - t h u g h 断s p 蛔y 图1 3 “穿透看”头盔显示 图1 4s i m e y e 头盔显示器 光学系统示意图 头盔显示的不同应用对光学成像系统提出了不同的具体要求啪。3 。一般情况 下，要求光学系统提供尽可能大的视场；考虑到同人眼光瞳的匹配，系统应具备 足够大的出瞳：为了满足佩戴眼镜的使用者，需要足够大的出瞳距离；由于不副 南开大学博士生学位论文 使用者具备不同的双目间距，为了满足系统瞳间距可调，系统口径不能太大；另 外重量是影响使用者观看效果的重要因素，因此要求系统结构尽可能的轻量化等。 在头盔显示光学成像系统中，折反射式光学系统是一类比较常用的系统 3 = 。= ”1 ，主要用于军事上增强现实类型的头盔显示器。早期头盔显示采用c r t 作为 图像源，由于c r t 体积大、重量大，通常将c r t 安装在头盔壳的切向靠近下方 的位置，以确保合适的重心位置和安全的结构配置，为此需要一个复杂的光学中 继系统，再经由组合器将图像源信息和外部景象耦合到人眼。其中采用平面组合 器的系统由于尺寸限制，视场一般比较小；美国h o n e y w e l l 公司研制t 一系列的 采用非球面组合器的离轴系统，非球面组合器有利于扩大视场，校正系统像差等。 近年来平板显示器的应用使这类光学系统得到一定程度的简化”“”1 ，由于平板显 示器体积小、重量轻，允许将图像源放置在比较靠近人眼的位置或者直接放置在 眼前方，从而使中继系统得以简化。但是离轴光学系统轴外像差难以校正，系统 体积仍然比较大，而且装调困难。 近年来有人提出采用自由曲面棱镜的系统”“，该曲面棱镜为楔形结构，含有 个全内反射面和一个旋转非对称的非球面，可以获得较大视场，同时结构比较 紧凑，加入曲面棱镜的补偿元件还可以构成增强现实的系统，但系统设计比较困 难，光学性能有待提高。 ta n d o 和y a m i t a i 等人研究了利用全息元件设计的头盔显示光学系统。”“。 采用全息元件的光学成像系统可以获得很大的视场，而且系统结构紧凑，用于增 强现实系统时可以实现很高的能量利用率。但需要精确确定光瞳位置和共轭光束 的入射角，另外大多只能实现图像源信息的单色显示。也有人提出用两个红、绿、 兰三色窄波段全息元件组进行组合补偿校正像差“，实现色差校正，但同时也增 加了制作的复杂程度。 r o c h e s t e r 光子公司的j b u n k e n b u r g 和h o n e y w e l l 公司的t a f r i t z 进行了将 衍射元件引入头盔显示光学系统的应用研究。5 。4 “，设计制作了水平视场为3 0 0 的折 衍混合目镜，其研究结果表明利用衍射元件校正色差可以简化结构，提高系统性 能。 随着平板显示技术的发展，人们已经研制出各种类型的平板微显示器。微显 示器件的引入不仅使头盔系统有更好的性能价格比，而且使系统变轻变小。现代 化的头盔显示器已由原来的“头盔”( h e l m e t ) 形式转变为轻便的“头戴” ( h e a d m o u n t e d ) 形式，这使它开始进入干百万普通人的日常生活中，极大地扩 大了用户。由于微显示器的小尺寸，给头盔显示的光学系统带来根本的变化。各 4 第一章绪论 种用途的头盔显示器的飞速发展也给相应的光学系统提出了更高的要求。因此用 于现代化头盔显示的光学系统的设计和开发正在成为二十一世纪科学研究的一个 热点。例如英国于1 9 9 9 年由十余所著名大学如剑桥大学、南安普顿大学、爱丁堡 大学、丹第大学等和工业界联手成立了光显示联合会( c u p i d ) ，以加强在光显示 领域国际上的竞争实力。在2 0 0 1 年9 月爱丁堡的年会上，除了分析微型器件的国 际发展动态和市场前景外，特别提出要加强相应的光学系统的设计和显示屏的研 究。 国内在头盔显示器领域的应用、开发上起步较晚，大多集中在购买国外的头 盔显示器进行虚拟现实、模拟器等的应用上。对高分辨率头盔显示器的研究和开 发仅限于一些军用单位和研究机构“7 ”3 。中国航空工业第六一三研究所进行了综 合机载微光夜视仪及头盔显示器的研究和开发；北京理工大学对增强现实头盔显 示器进行了研究；浙江大学、东南大学等进行了液晶头盔显示器的开发和应用研 究；南开大学近年来进行了头盔显示光学系统的设计研究工作。 无论从军事意义上，还是从现代高新技术产业来讲，随各方面技术的进一步 发展，头盔显示器的应用将更为广泛，在我国进行头盔显示器研究的必要性也愈 发明显，这将是今后显示器视场上的又一个竞争热点，所以应该引起足够的重视。 1 2 衍射光学元件在成像系统中的应用概况 衍射光学元件( d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t ，d o e ) 是利用表面浮雕结构对光波 进行渊制的一类元件，从光学原理上来说是一种衍射和干涉混合型光学元件。表 面浮雕结构的每一个周期或子周期都对光产生衍射作用，同时相邻周期的衍射光 又相互产生干涉作用。它包括全息光学元件( h o l o g r a p h i co p t i c a le l e m e n t 。h o e ) 、 计算机制全息 ( c o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a p h y , c g h ) 、二元光学元件( b i n a r y o p t i c a le l e m e n t ，b o e ) 、连续表面浮雕元件( c o n t i n u o u ss u r f a c er e l i e fe l e m e n t c s r e ) 等，可分为功能型元件和成像型元件。功能型元件一般实现的功能比较单 一，如对光束的整型、分束、聚焦等。成像型元件主要进行成像和校正光学系统 像差。 在传统的几何成像过程中，光的衍射效应被认为是限制光学系统分辨率、影 响像质的不利因素，长期以来衍射的应用主要在光谱分析方面。1 8 7 1 年l r e y l e i g h 开始制作f r e s n e l 波带板”，它是最早出现的衍射光学元件，但由于在当时条件下 制作困难和衍射效率低，未得到较大的发展。1 9 6 0 年激光出现以后，四十年代末 南开大学博士生学位论丈 提出的光学全息成像重新活跃起来并得到很大的发展，全息光学元件的出现，为 衍射光学元件的发展开辟了一条新途径“。1 9 6 5 年出现了计算机制全息图“，采 用计算全息手段，原则上能设计出产生任意光波前的元件，使得衍射光学元件的 设计方法有了变革性的进展。但是计算全息和光学全息一样，一般都使用离轴的 一级衍射光，这不仅限制了视场，而且光i i i ! i 用率低。1 9 6 8 年l e s e m 等人在c g h 的基础上制作出了相息图( k i n o f o r m ) 1 。相息图可以看做是一块由计算机设计 的复杂透镜，相息图只产生单一的衍射级，理论衍射效率可达1 0 0 。但是由于 在制作加工微细结构方面仍面临困难，导致计算全息和相息图的实际衍射效率不 高，应用范围受到限制。光学全息、计算全息、相息图的出现，奠定了衍射光学 元件的设计理论和方法。 七十年代末八十年代初，微电子领域在制作技术方面出现了突飞猛进的发展， 微细加工设备和工艺不断进步，使衍射光学元件在制作技术上成为可能。八十年 代末由美国m i t 林肯实验室的w b v e l d k a m p 领导的研究组首先将制造超大规模 集成电路( v l s i ) 的光刻技术引入衍射光学元件的制作中，提出了“二元光学” 的概念。蚓。这种利用光刻技术，在基片表面上刻蚀形成多台阶浮雕结构来逼近 连续面形的衍射光学元件，称之为二元光学元件。与此同时，休斯公司( h 唧r h e s a i r c r a f fc o r p ) 丹伯里光学系统部的工作人员也设计制作出了二元衍射光学元件 “。，并成功地应用于大型望远镜的反射镜上，取得了满意的效果。二元光学元件 的诞生是衍射光学元件发展过程中具有里程碑意义的事件，它标志着衍射光学元 件的发展进入一个新阶段。 二二元光学不仅在变革常规光学元件，变革传统光学技术上具有创新意义，而 且能够实现许多传统光学难以达到的目的和功能。它的出现给传统光学设计理论 及加工工艺带来一次革命。自从二元光学诞生以来，国际上广泛开展了衍射光学 元件的设计理论、制作工艺和应用方面的研究。如美国的p e r k i n e l m e r 6 、 h o n e y w e l l 唧、t e x a si n s t r u m e n t s 、r o c h e s t e r 、e a s t m a nk o d a k 、p o l a r i o d 、 3 m ”和其它许多公司在此领域的研究和开发都极为活跃。此外，还有如英国的 p r e c i s i o no p t i c a le n g i n e e r i n g ”、 德国的e f l a n g e n 大学、日本o s a k a 大学以及 俄罗斯等国的一些研究单位也投入财力和物力设计开发出性能优良的二元衍射光 学元件。基于二元光学技术的衍射光学得到了快速发展。 衍射光学元件作为一种成像光学元件，具备任意相位分布性质、特殊色散性 质 7 6 _ 8 、平像场性质川、温度稳定性质以及薄型元件性质。这些性质决定了它 在成像光学系统中的地位和作用。衍射光学元件的光焦度与光波长成正比，具有 第一章绪论 强烈的色散作用，单个衍射光学元件一般不用于具有一定带宽的光成像。但它与 普通透镜以适当的方式混合时，色散作用可以相互抵消。因为衍射光学元件的等 效阿贝数大约为一3 4 6 ，而光学玻璃的阿贝数都在2 0 以上。因此在一个正透镜表 面上形成的衍射光学元件可以起到负透镜的作用，给它以适当的光焦度就可以消 色差，用于宽带成像。衍射光学元件的这一性质可以被用来减少光学系统中的透 镜个数，以缩小体积和减轻重量。衍射光学元件以其任意的相位分布特性为光学 设计提供更多的自由度来校正系统的像差，提高系统的成像质量，同时也能起到 减少光学系统中的透镜个数、减轻重量的作用。衍射光学元件还具有平像场的性 质，当单个衍射元件使用时，其场曲为零，不存在校正场曲的问题，使光学系统 的结构得到简化。衍射成像光学元件的温度性质也与传统透镜的温度性质存在根 本的区别。当温度变化时，传统透镜焦距的改变与其材料折射率的温度系数有关， 而衍射元件焦距的改变与其材料折射率的温度系数无关。这一性质有助于实现折 衍混合系统的温度稳定。折，衍混合成像系统充分利用了传统几何光学元件和衍射 光学元件各自的优点，有效的简化系统结构、减轻重量、缩小体积和改善成像质 量，实现许多传统成像光学所不能达到的目标，是对传统成像光学的重大变革。 折衍混合成像系统的优势使其首先在军事、航天领域中的高技术光学成像系 统中得到应用。上个世纪八十年代中期，美国国防先期研究计划署( d a r p a ) 拨款 资助折衍混合成像光学系统专项研究。进入九十年代，折衍混合成像系统的应 用越来越受到光学工作者的关注，逐渐出现了有关折衍混合成像系统设计和制作 成功的报道”“。如第一个折衍混合的军用热兵器瞄准具( t w s ) 在九十年代中 期形成产品；美国p e r k i n - e l m e t 公司研制出红外离轴折衍望远镜系统，系统用三 个球面得到与复杂非球面同样的性能，成像质量提高，制造费用减少。 我国开展衍射及二元光学理论、技术与应用的研究已有多年的历史并取得了 一批重要成果。中国科学院物理所，清华大学”3 。“，中国科学院长春光学精密 机械与物理研究所。、中国科学院光电技术研究所。、浙江大学。9 、北京理 工大学。l o z 南开大学“3 5 ”“”1 “1 等单位相继开展了研究工作。中科院物理所建立 了杨一顾算法，用于若干衍射光学元件的设计，并完成光束分波传输和聚焦衍射 元件的制作和测试；清华大学对折，衍混合单透镜物镜以及二元光学器件的衍射效 率等进行了研究；长春光机所研制成功折衍混合小型c c d 相机，同时在中科院 的资助下，研制成功激光直写设备，填补国内空白；成都光电所在大数值孔径衍 射光学元件的设计和制作方面作了许多工作，成功制作了菲涅耳透镜阵列；浙江 大学开展了激光直写技术的研究工作，对光刻胶的曝光显影特性进行了详细研究， 南开大学博士生学位论支 同时开展了衍射光学元件在光通信密集波分复用系统中的应用研究，研制成功八 通道分立式光栅型密集多载波波分复用器；北京理工大学研究了衍射元件在红外 光学系统中的应用和浙衍混合可见光望远镜的设计；南开大学进行了折衍混合 系统用于红外领域和头盔显示目视系统的设计研究工作。总体说来，国内衍射光 学研究水平尤其是制作水平同国外差距较大，国内衍射光学的研究工作还仅局限 于实验室，没有实现商品化，在折衍混合设计方面取得定的进展，但对成像型 衍射光学元件的研究还远远不能满足我国国防和高技术发展的迫切需要。 1 3 本论文的主要工作 高分辨率平板微显示器的出现，使现代头盔显示发展迅速，同时对光学成像 系统也提出了更高的要求，光学系统的高性能、结构简单化、轻量化成为人们努 力的主要方向之一。传统的折射系统或折射反射系统已经不能很好地满足各项综 合要求，必须寻求新的设计思路和方法。衍射光学元件特有的色散和任意相位分 布等性质，为光学系统设计开辟了新的途径。将折衍混合光学系用于头盔显示， 在增大视场、提高成像质量、简化结构、减轻重量等方面具有极为重要的意义。 在此背景下，南开大学现代光学所获得国家自然科学基金项目的资助( 项目号： 6 0 2 7 7 0 2 1 ) ，进行“用l c o