基于出瞳扩展的头戴显示器关键光学技术研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:intangibly
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
头戴显示器(HMD)是一种将微显示器与成像目镜相结合的小型化近眼目视光学系统,由于能够满足特殊环境下人眼对光学显示信息的实时获取需要而被广泛应用在虚拟现实和增强现实领域。为提升军用HMD系统的对比度调节范围、显示亮度和分辨率等关键性能,业界提出了基于激光微扫描的视网膜扫描显示器解决方案;近些年来,为适应民用HMD系统便携化的急迫需求,又出现了基于平板波导的HMD设计新思路。这些新方案的独特之处在于:均采用出瞳扩展器将小出瞳进行有效的二维扩展,在满足人眼目视要求的同时提升系统性能或实现便携化。本文针对视网膜扫描显示器(RSD)和半透膜阵列平板波导HMD的出瞳扩展关键技术展开理论研究,揭示了出瞳扩展的物理规律,得到了扩展出瞳的有效方法,主要工作可分为两大部分。  (1)通过广泛调研RSD的国外研究现状,深入分析了系统设计思路和各项关键技术难点,从光学系统设计的角度描述了限制出瞳的物理机制。采用衍射积分变换的处理方法对衍射光栅出瞳扩展器和微透镜阵列出瞳扩展器进行了理论研究,为出瞳扩展器的设计提供了理论支撑。通过运用光学仿真手段建模,对比研究了六边形排布单透镜阵列和双透镜阵列的出瞳扩展规律,结果表明双透镜阵列是实现彩色显示RSD出瞳扩展的有效方法,并以15mm出瞳直径为例,验证了出瞳扩展方案的有效性。提出了扩展出瞳的评价模型,为出瞳扩展的评价提供了有效方法。针对微透镜阵列的典型加工方式引入的误差,分别建立了微透镜面形误差模型,研究了不同加工误差对出瞳扩展均匀性的影响,为微透镜的设计和研制提供科学指导。  (2)探讨了平板光波导对头戴显示器便携化设计的独特优势,对其实现目镜系统出瞳扩展的原理和设计思想进行了概括。重点研究了半透膜阵列波导的出瞳扩展方案,采用光线的折射/反射模型进行理论推导,得到了对平板波导的结构约束条件,对初始结构设计具有重要指导意义。提出利用两个互相垂直放置的半透膜阵列波导实现目镜出瞳的有效二维扩展,使得小出瞳目镜即可满足头戴显示器对出瞳的使用需求,在缩小目镜体积的同时减轻了系统重量。采用光学设计软件设计了小出瞳(约2.4mm)目镜光学系统,借助光学仿真软件对目镜和平板波导系统进行了光学仿真,研究了系统最终的成像质量和出瞳辐照度分布规律。设计实例显示,采用简单的球面透镜即可实现出瞳7mm×12mm,视场15°×20°,光学原件总重约36g,畸变小于0.13%,各视场MTF在40 lp/mm大于0.58。该研究及设计实例为半透膜波导HMD的进一步研制奠定了基础。
其他文献
空间立体测绘是近二十年来发展出的一种新型测绘技术,不仅可以用于资源普查、城市规划、自然灾害评估等民用项目方面,高精度的空间立体测绘相机更可以为战场实施精确打击目标提
学位
经济的发展加快了城市化的进程,城市中机动车保有量迅速增加,从根本上改变了传统的交通运输方式,由此引起的城市交通问题已经成为各大城市共同面临的难题。道路交叉口是城市
在现有公路的维护和改造过程中,产生了大量的废弃物。如能将这些废弃物加以合理利用,不仅能降低对环境的污染,而且也能大大降低公路维护和改造成本。本文以运风高速公路改造为实
一般认为,车辆在行驶过程中其声频信号是一种多声源混合信号,发动机、变速器、传动轴、车身以及轮胎等等都是混合信号的信号源。习惯上,人们将机动车声频信号称为噪声,且分三
中俄建立战略协作伙伴关系十年来,两国在政治互信不断增强、在国际事务中的战略协作不断密切的同时,经贸合作也不断迈上新台阶。 随着俄罗斯经济的复兴和中俄入世谈判的结束
为了全面提高我国公路基础设施的服务水平,保障行车安全,交通部决定在干线公路上实施以“消除隐患、珍视生命”为主题的公路安全保障工程。论文以此为契机,针对干线公路交通事故
由于混凝土结构因耐久性不良造成过早失效的事故在国内外都屡见不鲜,给经济造成严重的损失,出于工程安全因素考虑,混凝土耐久性的问题越来越受到世界各国学术界和工程界的广泛重
超强超短脉冲激光技术是近三十年来激光技术领域的科学前沿,其中飞秒激光及其非线性光学效应是强场激光物理领域的一个研究热点。飞秒激光成丝现象源于独特的非线性克尔光学效
航天摄影测量是伴随着空间技术、摄影技术、图像数字传输与处理、全球定位和计算机技术的发展而产生的测量新技术。航天摄影测量对于姿控、导航、定位、遥感摄影测量都具有重
学位
随着地方经济的快速发展以及民生建设项目的不断推进,我国地方政府的债务风险不断增加,这为地方经济的发展带来了隐患,要想更好地化解地方政府债务风险就需要做好融资方式的