【摘 要】
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头戴显示器（Head-mounted display,HMD）是一种头戴式近眼显示设备,能够将图像源输出的图像放大并成像在佩戴者的视野范围内,是虚拟现实技术（Virtual Reality,VR）的关键设备,在某些特殊领域具有重要的应用前景。随着VR技术的快速发展,HMD朝着大视场、轻重量、高成像质量方向发展,但是要使得光学系统的重量更轻、视场角更大、成像质量更好仍存在很大的困难。基于上述研究背景
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头戴显示器（Head-mounted display,HMD）是一种头戴式近眼显示设备,能够将图像源输出的图像放大并成像在佩戴者的视野范围内,是虚拟现实技术（Virtual Reality,VR）的关键设备,在某些特殊领域具有重要的应用前景。随着VR技术的快速发展,HMD朝着大视场、轻重量、高成像质量方向发展,但是要使得光学系统的重量更轻、视场角更大、成像质量更好仍存在很大的困难。基于上述研究背景和技术难题,在2019年安徽省科技重大专项的支持下,根据工程硕士的培养要求,本文在企业中结合产品开发对VR HMD的光学结构进行研究,综合考虑视场角、成像质量、体积、重量、加工水平等因素,设计了两种HMD光学结构。本文首先针对沉浸式虚拟现实头盔显示器产品,使用RKE目镜作为初始结构,采用非球面代替RKE目镜中的球面,分离了RKE目镜中的胶合透镜,得到了三片式头戴显示器的光学结构,视场角为85°,在8.68 lp/mm处MTF值均优于0.3,最大畸变为-4.81%,出瞳直径为8mm,出瞳距离为12mm,公差分析结果表明该设计满足加工要求。与参考文献相比,增大了视场角,提高了MTF值,降低了畸变。然后,本文针对大视场虚拟现实头盔显示器产品,选择了合适的初始结构,将第三片正透镜改为负透镜,第四片负透镜改为正透镜,设计的光学结构的视场角为114°,在奈奎斯特频率处所有的MTF值都优于0.33,重量为117.07g,垂轴色差为53.94um,总长为66.11mm,公差分析结果表明该设计满足加工要求。与参考文献相比,在保证相同视场的前提下,提高了MTF值,减轻了系统重量,改善了垂轴色差。本文的研究成果发表了三篇论文,申报了一项发明专利。
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