沉浸式头戴显示技术(Head Mounted Display,HMD)是虚拟现实显示技术(Virtual Reality,VR)的一个分支,是一种利用头戴显示光学系统将由计算机生成、图像源输出的数字化图像成像于使用者视野中,并以此来实现对特定环境进行重现的模拟仿真技术。沉浸式头戴显示技术具有大视场、低功耗、可穿戴、模块化、立体显示、自定义程度高等优点,自从出现以来就受到人们的广泛关注,逐渐成为了新一代显示技术的代表,在很多领域都有着广泛的应用,尤其是载人航天领域中的航天员地面模拟训练方面。在航天员地面模拟训练中使用沉浸式头戴显示设备(HMD设备)能够在有效的保证训练质量的前提下降低训练的成本和风险。普遍认为应用于航天员模拟训练的HMD设备需要具有较高的分辨率和较大的视场,同时还要满足此类可穿戴设备对于轻量化的要求。如何平衡系统的复杂程度和系统的性能成为了HMD设备研制过程中必须面临的主要问题。为了解决这一问题,研制得到一款能够较好应用于航天员模拟训练的高性能HMD设备,推动虚拟现实头戴显示技术的发展。本论文在“空间站内定向与人机交互虚拟训练技术研究(B1720132001)”国防基础科研计划的资金支持下,结合具体的应用条件在光学系统设计、性能评价、公差分析、性能检测方法等方面对沉浸式头戴显示光学系统关键技术进行了全面而深入的研究,主要研究内容及创新性工作如下:1.对虚拟现实技术和头戴显示设备的发展历程、主要用途和研究现状进行了概述,总结了其发展趋势以及其关键技术对其性能的影响。以大视场目视光学系统像差理论为出发点,从理论上分析论证了非球面、衍射光学面等多自由度光学元件的像差校正特性。与此同时,对沉浸式头戴显示设备的主要性能参数指标进行了详细的分析。2.对比分析了即有的几种典型的同轴透射式目镜结构,根据对比分析的结果,首先基于RKE广角目镜结构,以分辨率1920×1080的夏普显示屏为图像源,实现了1种高性能HMD光学系统设计方案;然后,在此基础上引入复杂程度不同的柔性像面对系统进行改进,以此实现了另外3种基于柔性显示屏幕的HMD光学系统设计方案。所得的4种方案中的光学系统均为4组8片的光学结构,单目对角视场都达到了120°,具有全视场MTF值高,色差低,畸变小的优点。最后,对4种设计方案进行了全面的对比分析,分析结果表明传统屏光学系统设计方案能够满足指标要求;与传统像面相比,柔性显示像面具有更好的简化系统、校正畸变和场曲的作用。4种光学系统的设计方案及对比分析结果为高性能HMD光学系统的实现和柔性显示屏在HMD光学系统的广泛应用提供了实例参考。3.推导了人眼光学模型屈光度和主点位置的表达式,分析比较了5种人眼模型的优点和缺点,首次建立了基于Escudero Sanz模型眼的“人眼—HMD目镜”使用效果分析模型,并利用模型重点分析了设计所得的传统屏HMD光学系统中人眼实际情况对其使用效果的影响,根据分析结果提出了在HMD设备中加入眼球追踪系统,并利用伺服控制系统适时调节像面,以消除人眼运动对HMD使用效果影响的设想。“人眼—HMD目镜”模型分析法为HMD光学系统实际使用效果提供了一种更为客观的分析评价方法。4.讨论了多数光学系统中的误差来源,尤其是高次非球面面形误差的来源,以此为切入点,对传统屏HMD光学系统进行了公差分析。先利用ZEMAX软件完成了对传统屏HMD光学系统中规则元件的公差分析,再利用ZEMAX联合MATLAB编程的分析方法完成了对传统屏HMD光学系统中高次非球面面形精度的分析。分析结果表明本文设计得到的传统屏HMD光学系统为中等精度光学系统,具有一定的工艺性,为该系统的生产加工奠定了基础。5.对HMD光学系统的性能检测方法进行了研究,从待测性能参数的基本定义出发,针对实验室现有条件,结合HMD光学系统的自身特性,提出了基于CCD图像捕捉的HMD光学系统性能参数测试方法,并利用该方法完成了对研制得到的HMD光学系统的性能测试。测试结果与名义值符合良好,即验证了测试方法的正确性,也表明研制得到的HMD设备性能优良。