【摘 要】
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头盔显示器（Helmet mounted display,HMD）是一种将微型显示器的图像信息投影在观察者的视网膜上形成虚像,并借助图像处理算法或人工智能技术,从而实现虚拟信息的沉浸式体验或虚拟信息与真实信息交互融合的集成式系统。随着科技水平的不断提高以及人类物质生活需求的日益增长,HMD的应用逐步向教育、消费、娱乐等民用领域拓展。HMD的核心部分为目视光学系统。基于HMD轻量化和小型化的应用需求
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头盔显示器（Helmet mounted display,HMD）是一种将微型显示器的图像信息投影在观察者的视网膜上形成虚像,并借助图像处理算法或人工智能技术,从而实现虚拟信息的沉浸式体验或虚拟信息与真实信息交互融合的集成式系统。随着科技水平的不断提高以及人类物质生活需求的日益增长,HMD的应用逐步向教育、消费、娱乐等民用领域拓展。HMD的核心部分为目视光学系统。基于HMD轻量化和小型化的应用需求,目视光学系统主要分为棱镜结构和波导结构。棱镜结构的HMD是以自由曲面棱镜或Birdbath为基础的成像传像作用一体化的成像系统。波导结构的HMD是以阵列光波导或全息波导为基础的成像传像作用相分离的成像系统。结合上述两种典型的HMD光学系统,本文针对当今工艺性最强的自由曲面棱镜成像结构和发展前景最好的全息波导成像结构进行了分析与研究,具体内容如下:1、分析了自由曲面棱镜式HMD和全息波导式HMD的工作原理,比较了两种成像结构的优缺点。基于轻量化HMD的应用需求,确定了HMD的设计思路和优化方案。2、基于自由曲面棱镜成像结构,利用Zemax光学软件设计了一款出瞳直径为4mm,视场为42o,应用于可见光波段的HMD目视光学系统。棱镜的光学结构仅由一片XY扩展多项式面型与两片偶次非球面面型构成,自由曲面面型数量的减少降低了光学元件的公差敏感度与加工难度,进一步提高了光学系统的加工工艺性。除此之外,本系统在优化设计的过程中对棱镜与补偿结构的体积与材料进行了有效约束,从而保留了系统小型化、轻量化的优势特点。3、基于Kogelnik耦合波分析法与严格耦合波分析法,设计了一种反射体光栅与透射体光栅相结合的双波导目视成像结构,建立了Matlab理论模型,完成了Comsol有限元建模分析。基于双波导结构的HMD系统,传输视场角相比传统波导结构增加了近60%,不但满足了HMD轻量化的需求,也扩展了波导式HMD的传输视场范围。
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