（光学工程专业论文）折衍混合头盔显示光学系统设计研究.pdf

南开人学博f j 生学位论文 摘要 头盔显示器是现代显示技术的一种新技术，在增强现实、虚拟现实以及立 体显示等方面有极其重要的应用。尤其是在航空航天飞行器中如何将大量的重要 信息何效地展示在驾驶员眼前，一直是人们研究的焦点。头盔显示为大信息量、 全天候显示打下了基础。通过分析人眼视觉特性及人机功效要求发现，用于头盔 显示器的光学系统不仅要求具有高分辨率、大视场、大出瞳直径和大出瞳距离等 光学性能，而且要求系统在结构上轻便紧凑。传统的头盔显示系统难姒同时满足 述要求。高分辨率平板微显示器的出现及二元光学理论和设计的发展，为头盔 显示系统设计丌辟了新的途径。 透视型头盔显示系统，采用组合镜实现双通道显示，因此组合镜不仅影响 图像源的成像质量，也影响着外界场景的观看效果。为发挥整机的最佳功效，采 用护目镜离轴投射显示系统成为一种趋势。但对于偏心和倾斜的非对称光学系统 设计还没有完善的像差理论，给这种头盔显示系统的实现带来了困难。 本论文诈是在此背景下开展的，目的是研究建立具有最佳人机功效的现代头 儒显示系统。 1 完善倾斜和偏心非对称光学系统设计的像差理论，是实现具有最佳人机功效 的护臼镜离轴投射显示系统的基础。本文回顾了有关倾斜和偏心非对称光学系统 的设计理论，并首次利用矢量像差理论分析了具有较大倾斜角的平行平板光学系 统和具有较大倾斜角的光楔光学系统的像差特性，指出该理论对倾斜和偏心的非 对称光学系统设计具有指导作用。 2 分析了折衍混合成像光学系统的设计思想，对传统透视型头盔显示器光学系 统进行了改进。设计了4 0 x 3 0 0 视场用于2 1 8 m m 彩色液晶显示器图像源的折衍 混合头徭显示系统。该系统满足1 2 研m 出瞳直径、2 l m 川出瞳距离以及x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 分辨率显示模式，同时系统重量仅为原头盔显示系统的5 3 。表明 折f i 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。 3 对二】：透视型头盔显示器，护目镜离轴投射显示系统具有最佳的人机功效。本 文利刖矢量像差理沦和折衍混合光学系统设计思想，首次研究设计了多种类型的 折f j 混合护f 1 镜离轴投射显示系统。( 1 ) 首先运用非球面光学理沦建立了抛物面 摘要 型、椭球面黧和满楚科丁顿方程的超环面墅护哥镜的数学模型；( 2 ) 依据数学模 删，使用z e m a x e e 或c o d e v 光学软件分别设计了2 0 1 5 4 。视场用于o 5 英 寸图像源的抛物面塑护目镜投射显涿系统和2 5 2 0 。视场用于o 5 英寸图像源的椭 球巍型护曩镶投射鼹示系统，翦者满足1 1 s 掰m 出瞳建径、5 0 m m 眼点距和s v g a 分辨率：后糟满足8 卅研出躐直径、3 2 - 3 m m 眼点距和v g a 分辨率。同时设计了 5 0 x 4 4 0 拳l4 0 3 0 。视场鼹于o 7 英寸黧像源戆满足科丁顿方程的超坯甄型护爨镜投 射啦示系统，6 # 者有中阳j 成像有利于增大系统视场满足8 朋卅出瞳直径、2 2 m m 眼 点鼹窝s x 姒分辨搴；爱者无孛阕戏像毒到予缭短追述长魔满足8 撙辨窭建簌径、 4 0 m m 眼点躐和x ( 认分辨率。 4 、骚窕设诗了焉予餐夜头盔显示嚣涎红终毙学戒像系统。( 1 ) 善次筵塞糕焉不 同光学材料问焦距位移系数的互补性，结合投影无热差图实现折衍混合双波段消 热麓、滂色麓党学系统漫诤。具体设葫+ 了筏场角2 5 。，焦疆l m m ，f 数为l 。9 8 ， jr ：作波长为3 5 【m 和8 1 l 岬折衍混合红外成像系统，该系统在一2 0 5 0 的温 度范围肉对予轴向税场两个波段静调锏传滋函数值接近衍射极限，对应空闯频率 2 5 l p m m ，程3 5 扯m 波段m r f 接近0 。7 5 ；i 酊8 l l 坤m 波段m t f 超过0 4 2 。同时 往3 5 岬波段内，最大色差值不到l “m ；而8 11 岬波段内，最大色差也只有4 斗m 。 ( 2 ) 酋次提出将离轴三反系统与具巍二元光学透镜的变焦爨系统相结合的越光谱 l ：外成像系统技术方案，其体设计了系统总长1 0 6 0 m m ，口径为4 6 8 m m ，视场角 为l 。5 。，f 数为l ，9 3 的辑徼混合越必谱红矮成像巍学系绕。该系统在l t m 光谱 波段内，变焦系统单元的最小移动躐离约为1 2 m m ，保证了系统能够获得足够多 蟾毙谖探溅邋遴。嬲瓣在空闽频率为2 0 l 赫瓣露，辘囱援坜、o 。7 褪场亵全褪场 m t f 都超过o 5 1 。( 3 ) 设计了用于昼夜头盔显示嚣的折衍混合红外物镜。该物 镜安装鼍二头蕊主与滚鑫显示器毙辘燕会实瑗游援羞，同雾砉獒蠢良好瓣豫嚣熬度稳 匀性和传函特性，满足视场4 0 3 0 。、相对孔径1 o 、像面尺寸1 5 9 “9 m m 2 。另 癸滚物镜重爨汉4 5 9 ，并与秘视系绞丰奄或褪敖丈锫攀为l 静头盔显零系统。 关键诵：头豁遂示嚣，护謦镜授射鼗示，二元衍射元件，矢嚣像差疆论，双波段， 红外成像系统，消热差，消色差，超光谱 空要墨竺塑! 兰兰垡堡苎 一 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 ) ，w h i c ha c t s 船a ni m p o n a n tr o l ei na u g m e n t e d r e a l i t y ( a r ) ，v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) a n ds t e r c o s c o p i cp r e s e n t a t i o n ，i sa n c wt e c l l l l i q u eo f m o d e md i s p l a yt e c h n o l o g ye s p e c i a l l y i ti sp e 叩1 e sr e s e a r c h i n gf o c u sh o wt od i s p l a y e f 免c t i v e l yag r e a td e a lo fi i n p o r t a l i ti n f 0 肌a t i o ni nf m n to ft h ec r c w se y 龉i na i l a i r c r a f t h m d1 a y saf o u n d a t i o nf o rm o r ei n f o m a t i o na n da l l w e a t h e rd i s p l a y i no r d e r t os a t i s f yh u m a nv i s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa j l dm a i l m a c h i n ee 硒c a c yd e m a i l d s ，m o d e m h m d p r e s e n t sm o r er c q u i r e m e n t so no p t i c a m a g i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d ew i d ef i e l d o fv i e w ( f o v ) ，w i d es p e c t r a lb a n d ，h i 曲r e s 0 1 u t i o n ，l a 唱ee x i tp u p i id i a r n e t er ，l o n ge y e r e l j e fa i l dm o r ec o m p a c ts t m c t l l r e i ti sd i 伍c u l tf o rt r a d i t i o n a lh m d o p t i c a ls y s t 锄st o m e na b o v et e q u i r e m e i l l ss i m u l t a n e o u s l yd u et ot h ei n v e n t i o no fh i g h r e s o l u t i o nn a t p a n e ld i s p l a yd e v i c e sa i l dt h ed e v e l o p m e n to f b i n a r yo p t i c a le l e m c n tt h e o r ya n dd e s i 印， t h e o p t i c a ld e s i g nf o rh m ds y s t e mb r e a k st h r o u 曲廿1 el i m i t a t i o n ，a n do p e n sn e w a v e n u e s s e e t h r o u g hh m ds y s t c m sa c m e v ed o u b l ec h a l l i l e l sd i s p l a yw i t hac o m b i n c r e l e m e n t t h ec o m b i n e re l e m e mn o to n l ya n e c t st h ei m a g eq u a l i t yo fap r o j e c t c d j m a g e r ya n ds y m b o l o g y b u ta l s oa 腩c t su s e rt 0v i e wm eb a c k g m u n ds c e n e t oa c h i e v e b e n e rn l a n m a c h i n ee m c a c yf o rs e e - t l m u g hh m d ，t h eo 停a x i a la s p h e r i co p t i c a l s y s t e mo fv i s o rp r o j e c t i v ed i s p l a yb e c o m e st h ei d e a lc h o i c e h o w e v e r ，t h e r ei sn o ta g e n e r a ll h e o r yi nd e s i 趴o ft h ed c c e n t c i b da n dt i l t e dn o n a ) ( i a l l ys y m m e t r i co p t i c a l s ”t e m sa si nt h ec a s eo f a x i a l l ys y m m e t r i co p t i c s i ti su n d e rc h i sb a c k 掣d u n dt h a tw ep r o g r e s st h i sr e s e a r c hi n0 r d e r t os e t t l em o d e m h m dw i t ht h eo p t i m a lm a l l 一m a c h i n ee m c a c y 1 t h ea b e r r a l i o nt h e o r yo f 也ed e c e n t e r e da n dt i l t e dn o n a x i a l l ys y r n m e t r i c 叩t i c a l s y s t e mi sf o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n gt h e o f r _ a x i a lo p t i c a ls y s t e mo fv i s o rp r o j e c t i v e d i s p l a y rt h i sp 印e rr e v i e w e dm e t h o d sf o r t h ed e s 咖o ft t l ed e c e n t e r e da i l dt i l t e d n o n - a x i a l l ys y m m e t r i co p t i c a ls y s t e m ，a n df i r s t i ya n a l y z e da b e r r a t i o np r o p e i t i e so ft h e o p t i c a ls y s t e mw i m1 a 唱et i l t e dp l a n e - p a r a l l e lp l a t e sa l l dt h eo p t i c a ls y s t e mw i t hl a r g e i j l f e dw e d g e su s i n gt h ev e c t o ra b e r r a t i o nt h e o r y t h er c s u l t ss h o w e dt h a tm i st h e o r yi s a 1 1a d v a n c e dt h e o r yi n d e s i g no fi h ed e c e n f e r e d a n dt i l t e d n o n a x i a l i ys y m m e t r i c o p t i c a ls y s t e ms _ 攮蟹 2 孙ed e s i g nm e t h o do nb y b r i df e 触c t i v 硎i f t i v co 蚯c a li m a g i n gs y s t e m si s 秘a l y z 咄& 趣e 嘲。诧，t 酝o p t i e a ls y s 圭e mo f 攮el 剃i t i o 聃鑫ls e e l b 羚u 蚤珏醚di s 呻r o v e dw i t ht h eb i n a r ys u r f a c e + t h eh y b 髓o p t i e a ls y s t e mw 潍4 0 x 3 0 0f o 、，f o r 2 1 ，8 m mi m a g es o u r c ei sd e s i g n e d ，w h i c hm e e t s1 2 m me x i tp u p i ld i a m e t e r ，2 l m me y e r e l i e f ，a n dx g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) r e s o l u t i o n ，w h i l ei t sw e i 曲ti sr e d u c c dt o5 3 l l l a to f r 鑫穗i o n 越s e e 氆u 自强镰do p t i c a ls 笋t e m 。t h c r e s u i t ss h o w 氇a th 酒r i d r e f r a c t i v “d i b a c i v es y s l e me a np r o v i d eb e t t e f 聪dl i 曲t e ro p 童i e a li m 鹅i n gs y s g 黻f 。r s e e t h m l 曲h m d 3 o 停a x i a l l yv j s o rp r o j e c t i v ed i s p l a ys y s t e m sh a v eb e t i c rm a i l - m h i n ee m c a c y 南rs 盼l b r o u 痨h m d u s i n gm ev e e t o ra b e r r a t i o nt h e o 研a n d 龇d e s i 融m e t h o do f m e b y 糖堪辑安鑫e t 主v 战i 黥l i v e 喇i c a 重s y s t 淞黼 蠡f s l l yd e s 潦 s e v 嘲l 圭l 洚蛀d r e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eo 雌a ) i a l l yv i s o rp r o j e c t i v ed s p l a ys y s t e m s ( 1 ) b a s i n go nt h e a s p h c r i co p t i c a lt h e o r y ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so fp a r a b o l o i d a lv i s o r ，e l l i p s o i d a lv i s o r m l d 幻i d a lv i s o rw h i c hs a t i s f i e s d d i n 舒o n se q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d ；( 2 ) a c e o 毪gt ot 融em o 黼s ，a 魏如矗dp 躺b o l o 话a lv i s o rp 两e c t i v ed i 印l a y 嘲t l l 2 0 l5 。4 。f o vf o ro 5 一i n c hi m 8 鬈es 嘴r c e 戚ah y b 穗e l l i p s o i d a 重v i s o f 戚蛀鹳 d is p i a yw i t h2 5 x 2 0 0f o vf o ro 。5 一i n c hi m a g es o u r c ea r ec o n c r e t e l yd e s i 印c da i l d o p t i m i z e du s j n gz e m a x - e eo rc o d e vs o n w a r c t h ef o r m e rm e e t s 1 1 5 m me x i t p u p i ld i a m e 蝴i ，5 0 r n me y er e l i e a n ds v g a 羚s o l u “o n ；m e l a t t e rm e e c s8 m me x i tp u p i l d i a m e t e k3 2 3 m me y e 糟l i e a n dv g af e l 挂t i o 致+ 糙。糟o v e b 重量圭e 魏y 致i d 论辩i 硅越v s o f p r 0 4 e c t i v ed i s p l a y sw i t h5 0 4 4 0f o va n d4 0 3 0 0f o vf o ro 7 一i n c hi i n a g es o u r c ea r e d e s i g n e da n do p t i m i z e dr e s p e c t i v e l y t h ef o n n e ri nw h i c ha ni n t e n n e d i a t ei m a g ei s f o r n l e dm e e t s8 m me x i tp u p i ld i a m e t e r ，2 2 m me y er e l i e ea n ds x g ar e s o i u t i o n ；t h e l a 耄e t 确i e hd o e s 韩孙瓶a ni n e e d 主a t ei m a g e ，m 话8 m me x 证p u p i l 击a m e t e r ， 4 0 m m e y ef e 珏e f ，a n dx g a r e s o l u 砖o n 4 t h eh y b r i dr e 行a c t i v e ，d i f 珏_ a c t i v ei n f r a r c do p t i c a li m a 鲥n gs y s t e m sf o r2 4 - h o u r s h m da r cd e s i g n e d ( 1 ) b a s e do nt h em u t u a lc o m p e n s a t i o no f t l l ef o c a is h mc o e m c i c n t a n dt h cp 嘲e c 垃v ea 啦e n n a lc h a n ，ah y b 蕊r e 翻c t i v c ，d i 衢a c t i v ed u a i 南a n da t h e r n l a l o p t i e a l8 y s t e mi s 曩r s | l yd e s i g n e d 。秘l eh 如r 谴s y s t e 鞭，w 撼e ho p 钎a e si n 啦e3 5 弘穗a n d 8 ll 扯mw a v e l e n g f hb a n d s ，m e e t s2 5 。矗e l do fv i e w ，l0 0 “l me f 凳c t i v ef o c a ll e n g l h ，1 9 8 f n u m b o ra n d10 0 c o i ds h i e l de m c i e n c y m o r e o v e r t h em t f o fl h eh y b r i ds y s t e mi s c l o s et oo 7 5f o r3 - 5 斗mw a v e b a j l da 1 1 dg r e a t e rt h a no 4 2f o r8 11 mw a v e b a n df o ra l l 曩e l d so fv i e wa t2 5l p 蕊ms p a l i a l 船q u e n c yw i t h i n 一2 秘5 0 。cr a n g eo ft e m p e r a t u r e i n l 、， 南开人学博，i ：生学位论文 a d d i t i o n ，m em a x i m u mc h r o m a t i ca b e r r a i i o ni sl e s st h a nl 岬f o r3 5 恤mw a v e b a n d ， a n d o n l y4 l m f o r 8 一l1 肛m w a v e b a n d ( 2 ) 1 1 1 es c h e m eo ft h e h y b r i d r e 疔a c t i 0 1 1 d i 腑a c t i o nz o o mo p t i c a ls y s t e mc o m b i n i n gt i l eo f r - a x i a l t h r e e m i h d rs y s t e m i sf i r s t l yp u tf o n ，a r df o rd e s i g n i n gh y p e r s p c c t r a li n 出m di m a g i n gs y s t e m t h es y s t e m w i t h10 6 0 m mt o t a l t m c k ，4 6 8 m me m r a n c ep u p i ld i 啪e t e r ，1 5 。f o va n d 1 9 3 f - n u m b e ri sd e s i g l l e d ，w h i c ho p e r a t e si nt l l e8 1 2 眦1t h e m l a lw a v e b a l l d s t h e m i n i m u mm o v i n gd i s t a n c eo f z o o m1 e n s e sc o r r e s p o n d i n gt o1 岬w a v e l e n 毋hc h a n g ei s a b o u tl2 m m ，w h i c hs h o w st h ed e s i 趴e ds y s t e mc a np r o v i d ee n o u 曲s p e c t r a lc h a n n e l s m o r e o v e r ，t h cm t f o f t h ed e s i 鲷e ds y s t e r ni sg r e a t e rm a l lo 5 lf o ra 1 】f i e l do f v i e w sa t 2 5 l p n l ms p a t i a l 舭q u e n cy _ ( 3 ) t h eh y b r i dr e f h c t i v e d i 胁c 石v ei n f 陆e do b j e c t i v e ， w h i c hi sm o u n t e dd i r c c t l yo nh m d ，i sd c s i g n e d nh 踮g o o dm o d u l a t i o nt r a l l s f e r f u n c t i o n ( m t f ) w i t he n o u 曲i m a g em u m i n 砒i o nu 1 1 i f o n 】正t y w i mm e4 5 9w e i 曲ta i l d 1 5 9 1 1 8 9 m m 。i m a g es i z e ，i tm e e t s4 0 3 0 。f o v 1 or e l a t i v ea p e n u r e n so p t i c a la x i s i sa l i g n e dw i t ht h e0 p t i c a la x i so f t h e “q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) t h e r e f o r c ，t h e p a r a l l a ) 【b e 咐e t i l eh y b mo b j e c t i v ea i l dl c di se l i m i n a t e d m o r e o v e r ，l l l eh y b r i d o b j e c t i v ea i l dt h ev i 锄a ls y s t 锄c o m p o s et h eo p t i c a li m a g i i 培s y s t e mw i t l lau n i t a n g u l a rm a g n i f i c a t i o n k e yw o r d s ：h e a d m o u n t e dd i s p la y s o rp r o j e c l i v ed i s p la y ，b i n a r yo p t i c a le l e m e n t v e c t o ra b e r r a t i o nt h 。o r y ，h l 丘翩di m a g i n g3 y s t e m ，d u a l - b a n d ，a m e 咖a l a c l l r o m a t i c ，s u p b r s p e c t r m v 8 嵇s 7 毫 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全r 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如f 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子舨，并采瘸影印、缩印、 扫描、数字诧戏其它手段髹存论文；学校鸯毅提供目录检索以及提 盐 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向图家有 关部门域者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提卜| ，学校日以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经撰导教师同意，本学位论文属于儇峦，在年鳃密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 勰密时间：年月曰 备密缀静羲长保密年辍及书写捂式蕊定h 下 内部5 年( 罐k5 年，可少丁5 年) 秘密1 0 年( 最疑l o 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 昂k2 0 年可少丁2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交鲶学位论文，是本人在导瘘指导下，述行鬻究王作 所取得的成累。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作晶的内容。对本论文所涉 及的硪究】：作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文藤剞懿声绢麴法律责任由本人承拯。 学位论文 乍者签名： 年月髫 南开人学博l ：生学位论文 第一章绪论 1 1 头盔显示器的概况 头盔显示器( h e a d m o u n t e dd i s p l a y 简称h m d ) 是一种固连在头盔上，给 使用者产生可视图像的小型显示装置“，主要包括图像显示器件、成像光学系统、 定位传感系统、电路控制及连接系统等。因为头盔显示系统具有引导雷达、激光、 前视红外和摄像机等探测设备快速对准目标的能力，而成为空军、装甲部队和炮 兵的先进装备，显示了其强大的生命力。 早在第一次世界大战期间由艾伯特培根普拉特( p r a t t ) 提出头盔综合枪”1 ， 它将瞄准具( 三点一线瞄准方式) 与枪融合在同一个头盔上，出佩戴者的嘴控制 射击。1 9 6 8 年，美国a 蛐a 信息处理技术办公室主任i v a i ls u t h 盯l a i l 驴建立了世 界上第一个头盔显示器，它能显示二维图像，用户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 “1 利用i v a ns u t h e r l a l l d 设计的头盔显示器和u t a i l 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 这实际上是三维显示技术的开始。是迸入虚拟技术( v i r m a lr e a l i t y ，简称v r ) 应用的 前奏。1 9 8 2 年，t h o m a sf u m e s s i 展示了带有6 个自由度跟踪定位的头盔显示 器( h m d ) ，从而使用户完全脱离周围环境。1 9 8 4 年，m i c h a e lm c g r e e r y 在n a s a a m e s 中心创建了并不昂贵的三维立体h m d 。1 9 8 5 年，s c o t tf i s h e r ”1 在n a s a 继 续三维立体h m d 工程的发展，创建了由操作者位置、声音和手势控制，带有广 角立体显示的头盔式显示系统。1 9 9 4 年，加拿大蹦b e n 大学m g r e e n 9 教授在 该方向上开展了研究，得到了各方面的高度重视。现在w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学“”， w a s h i n 昏o n 州立大学“”1 ，b r i 曲栅y o l l i l g 大学吣1 和c l e m e n s o n 大学m 1 均丌展了 该方向的研究。国内的一些院校和科研单位，陆续开展了头盔显示器技术的研究， 像北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟 环境1 ；浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、c a d c g 国家重点实 验室丌发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统“”；清华大学计算机系对虚拟现实 第一帝绪论 和临场感方面进行了研究o ”1 ，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁 的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法；另外，西安交通大学、哈尔 滨l ：业大学、国防科技大学、装甲兵工程学院、中科院软件所、上海交通大学等 单位也进行了不同领域、不同方面的头盔显示器技术研究工作并取得了一批研 究成果。南丌大学近年来进行了头盔显示光学系统的设计研究工作“”。 随着现代武器的自动化程度同益提高，头盔显示器( h m d ) 的作用充分体现 了出来。”一。机载头盔显示器可以作为空一空导弹及传感器的瞄准手段，以及作 为主显示器减轻飞行员在紧张剧烈战斗中的工作负担：坦克战车驾驶员佩戴头盔 鼹示器用于显示前视红夕 ( f l i r ) 图像或射击瞄准信息；作战单兵佩戴头盔显示 器用j 二显示夜视图像、全球定位系统( g p s ) 信息以帮助步兵迅速瞄准活动目标： 炮兵佩戴头盔显示器能帮助他们瞄准低空突防、高速飞行飞机等。利用头盔显示 器，钱机或战车驾驶员可以做到先敌发现，先敌丌火。士兵通过显示器可对战场 进行扫描，在各种复杂条件下都能捕捉到目标图像，并允许士兵从头顶、掩体后 方和建筑物周围进行“拐弯”射击，不需暴露自己便可准确攻击目标。另外，头 盔显示器还可用于训练模拟。结合虚拟现实( 即“灵境”) 技术，它可以节省昂贵 的训练丌支，消除训练事故，使被训练者身临其境。而在非军事领域，头盔显示 系统可以用于医学、工业、娱乐等多方面，具有巨大的市场潜力。 1 2 头盔显示器光学系统设计概况 在头蔬显示器中，观察者是通过眼前的目视光学系统看清图像的。光学系统 的设计不仅影响到图像显示质量的好坏，还影响到头盔显示器的体积和重量，以 及观察者长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 霹监部分。 根据信息通道的不同，头盔显示器可分为“直视型”( d i r e c t v i e w ) 和“透 视型”( s e e t h r o u g h ) 两种模式“。图1 1 给出了“直视型”头盔显示系统的 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，0 i 导用户产啦种身在虚拟环境中的感觉，是种全浸入式的头盔显示。 浚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 南开人学博l 生学位论义 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 1 “直视型，头盔显示系统示意图 图1 2d a t a v i s o r 头盔显示器 图1 3 给出了“透视型”头盔显示系统的示意图。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，同时前方外界场景经过组合镜亦可 进入人的视野，即人跟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 显示的是k a i s e re l e c t r o o p t i c s ( k e o ) 公司设计 的一种增强现实的军用头盔显示器。 图l _ 3 “透视型”头盔显示系统示意图图1 4s i m e y e 头盔显示器 头盔显示器的不同应用对光学成像系统提出了不同的具体要求8 ”1 1 。一般情 况下，要求光学成像系统提供尽可能大的视场；考虑到同人眼光瞳的匹配，系统 第一章绪论 应具备足够大的出瞳直径：为了满足佩戴眼镜或防毒面具的使用者，需要足够大 的_ i 瞳距离；由于不同使用者具有不同的双目间距，为了满足系统瞳间距可调， 系统径不能太人；另外，重景足影响使用者佩戴舒适和安全的莺要因素，为减 少使用者的负担和不适要求系统结构尽可能的轻量化等等。 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 ”。”，主要用于军事上增强现实类型的头盔显示器。早期头熬显示器采用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。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“”，这是因为平板显示器体积小、 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人眼前方，从 而使中继光学系统得以简化。但采用平板玻璃组合器的头盔显示系统由于尺寸限 制，视场一般比较小：而采用双组合器的旋转对称光学系统，由于受到光能利用 率和鬼影的限制影响了其应用：美国h o n e y w e l l 公司、r a y t h e o nb l e c t r i cs y s t e m s 公列及c e n t e r f l o 喇a 大学研制了一系列的采用非球面组合器的离轴系统“。州， 虽然这些离轴系统能有效地提高光能利用率和消除鬼影，但由于离轴系统像差校 证非常困难，使这些系统的成像质量、体积和重量等参数难以满足人因素的理想 要求。因此研究倾斜和偏心的非对称光学系统像差特性及折衍混合光学成像系统 设计思想，实现具有最佳人机功效的头盔显示系统，成为本文主要研究内容。 1 2 1 偏心和倾斜光学系统的像差理论 偏心和倾剩非对称光学系统是解决某些光学设计问题最好的甚至是唯一的办 法，如空问遥感领域正致力于发展的大视场、大孔径和无阻挡光学系统，用于增 强现实的透视型头蕊显示器护目镜投射显示光学系统等。目前偏心和倾斜非对称 光学系统设计比较困难，这是因为现有的针对共轴对称光学系统设计的像差理论 尤法直接应用于偏心和倾斜光学系统中。设计者不能再期望利用像面上径向分布 的几个取样场点来精确描述整个像面的成像质量，而必须对大量场点进行实际光 线追迹。另外，像质评价函数也不得不采用只有笼统评价效果的均方根波前差或 南开人学博l ：生学位论义 点列尺寸等。这使得设计者在光学系统设计过程中，对设计结果的洞察能力和控 制能力减弱，反而对计算机的计算速度和优化技术依赖性提高，逐渐偏离了光学 设计的本质。发展偏心和倾斜非对称光学系统设计的像差理论已经势在必行。 对于非对称光学系统设计，虽然还没有完整的设计理论，但有几种设计思想 和方法正在发展中。方法之一：将非对称光学系统看作是在轴对称光学系统基础 上通过光栏离轴或视场偏置形成，其设计思想依据轴对称光学系统像差理论。该 系统的特点是系统非对称程度越强，设计、分析和像差校j 下越困难。采用这种设 计方法的有长春光机所翁志成和南京天文仪器研制中心潘君骅“”分别设计了两 反镜和三反镜离轴光学系统，a b e la t l dh a t c h 和s h a f 打呻。呲分别设计了可见光波 段和红外光波段全反射的光学系统，由于该方法的固有特点使其设计系统具有一 定局限，而且该方法缺乏对倾斜和偏心光学系统设计的洞察能力；方法之二：美 刚亚利桑那州大学k p 1 1 1 0 m p s o n 啡”为使倾斜和偏心光学系统的公差分析有章 可循，将传统的波前像差展开成矢量形式，形成矢量像差理论。该理论认为构成 倾斜或偏轴系统的每一个光学元件有自身的旋转对称轴，并能相对参考轴作任何 方向的倾斜或偏心，整个光学系统像差是每一个光学元件产生的像差的矢量合成。 k p t h o m p s o n 利用该理论分析了光学系统中光学元件小的倾斜或偏轴后像差特 点；美国罗彻斯特大学j r r o g e r s “1 进一步研究这一理论，指出该理论的基本 概念和推导出的公式可应用于两反镜和三反镜光学系统设计；美国p e r l ( i n e l m e r 公司光学设计部j w f i g o s k p 采用全视场像差显示形式对偏心和倾斜光学系统 像差特性进行了分析，通过分析发现该理论为偏心和倾斜光学系统设计提供了非 常好的洞察力。不过对于矢量像差理论，目前仅限于分析光学元件小的倾斜或偏 心对光学系统成像质量的影响，以及用于指导两反射镜系统和三反射镜系统设计， 因此有待进一步完善。为了将矢量像差理论推广到指导具有大的倾斜或偏心折射 元件的非共轴光学系统设计，本文采用该理论对具有大倾斜角折射元件的光学系 统的像差特性分析进行了有益的探索。首先利用矢量像差理论分析了光学系统中 平行平板出现大的倾斜角时，对光学系统像差特性的影响：其次利用矢量像差理 论分析了光学系统中光楔出现大的倾斜角时，对光学系统像差特性的影响。这些 工作埘推动矢量像差理论的发展有一定意义，为偏心和倾斜光学系统设计有一定 第一章绪论 的帮助。 1 2 2 二元光学元件在成像光学系统中的应用 二元光学元件是指基于光波衍射理淦，利用计算机辅助设计及微电子技术， 在片基( 或传统光学器件表面) 上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形 成纯位相、同轴再现并具有理论衍射效率可达1 0 0 的相息图( 鼬n o f o m ) 。二元 光学技术是光学与微电子学相互渗透、相互交叉而形成的前沿学科，是对传统光 学，件的一次变革，它能实现许多传统光学元件无法实现的功能。二元光学元件 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、增反和增透等。成像型元件主要进行成像和校正光学系统 像差。 二元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”“。1 、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。二元光学元件的光焦度与光波长成正比，具有 强烈的色散作用，单个二元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。因为二元光学元件的等 效阿贝数大约为一3 4 5 2 ，而光学玻璃的阿贝数都在2 0 以上。因此在一个f 透镜表 面上形成的二元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 色燕，用于宽带成像。二元光学元件的这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。二元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f 系统的像差，提高光学系统的成像质量，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。二元光学元件还具