摘要：根據(jù)目鏡光學(xué)系統(tǒng)原理，采用 ZEMAX 軟件來確定 3D 虛擬頭盔光學(xué)顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究和性能優(yōu)化。給出了具體設(shè)計(jì)實(shí)例，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，3D 虛擬頭盔光學(xué)系統(tǒng)的總長小于 49 mm、垂軸像差小于 60 μm、軸向球差小于 0.1 mm、倍率色差小于 20 μm、場曲小于 0.4 mm、畸變小于 5%、MTF 在 30 lp/mm 大于 0.32，總體質(zhì)量滿足 3D 虛擬頭盔顯示器的要求。

0.引 言

頭盔顯示器（Head Mounted Display，HMD）的原理是將小型顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大[1-3]，即微顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸?fàn)钔哥R使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方的效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺。

性能良好的微顯示器件的引入不僅使頭盔系統(tǒng)有更好的性能/價(jià)格比，而且使系統(tǒng)變輕變小。由于微顯示器的小尺寸，高分辨率的特點(diǎn)也給頭盔顯示的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了根本的變化，提出了更高的技術(shù)指標(biāo)要求[4-5]。現(xiàn)代的 HMD 要求光學(xué)系統(tǒng)具備大視場、短焦距、相對孔徑小、大出瞳直徑和大出瞳距離等特點(diǎn)，而實(shí)際上，這些要素有些是相互矛盾的，比如，短焦距同大出瞳尺寸之間的矛盾問題，關(guān)鍵是怎樣平衡這樣的矛盾來達(dá)到 HMDs 既能設(shè)計(jì)出來，也能有一定的“浸沒感”。因此，用于現(xiàn)代化頭盔 3D顯示的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究正成為二十一世紀(jì)科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[6-7]。

針對頭盔 3D 光學(xué)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用eMagin 公司生產(chǎn)的 OLED，其對比度為 100:1、彩屏亮度達(dá)到 70 cd/m2以上、彩色像素為 15 μm×15 μm，擁有 0.61"微顯示屏[8]，設(shè)計(jì)一個(gè)基于 ZEMAX 軟件的新設(shè)計(jì)方法的 3D 虛擬頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。

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