紧凑型增强现实头盔显示器光学系统设计.pdf

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1、第45卷第7期激光与红外V01．45．No．72015年7月LASER＆INFRAREDJuly，2015文章编号：1001—5078(2015)07-0830-04·光电技术与系统·紧凑型增强现实头盔显示器光学系统设计赵守伟，张勇，马东玺，于明(1．河北工业大学信息工程学院，天津300401；2．军械技术研究所，河北石家庄050000)摘要：设计了一种用于增强现实的紧凑型头盔显示器光学系统，该系统视场角26．3。×19．7。，焦距32mm，出瞳距离20mm，出瞳直径8mm。在光学系统中使用衍射面与高次非球面设计，实现了光学系统的轻量化，系统内、外两个光通道的光能量利用率分别为1／4和1／2

2、，光学系统镜头直径小于45mm，重量小于8g，不仅在结构上满足使用者头戴要求，而且成像质量接近衍射极限，最大场曲和最大像散分别为45m和46m，畸变小于5％，最大垂轴色差值仅为6．9m，满足增强现实“虚实结合”显示需求。关键词：增强现实；头盔显示器；折／衍混合；非球面中图分类号：TN873文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1001·5078．2015．07．021Compactopticalsystemdesignofhead-mounteddisplayforaugmentedrealityZHAOShou．wei，ZHANGYong，MADong．xi，YUMing(1

3、．HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300401，China；2．InstituteofOrdnanceTechnology，Shijiazhuang050000，China)Abstract：Ahybriddiffractive-refractivecompactopticalsystemofhead—mounteddisplayforaugmentedrealitywasdesigned，andthesystemhasfieldofviewof26．3。×19．7。，eyereliefof20mm，exitpupilof8mmandfocallengt

4、hof32mm．Byintroducingdiffractivesurfaceandhigh—orderasphericaldesign．thelightweightsystemisrealized．Theutilizationratiosofopticalenergyininnerchannelandouterchannelnee1／4and1／2respectively．Thediameterofthissystemislessthan45mmandtheweightislessthan8g．Thishead-mounteddisplaycansatisfythedemandsofuse

5、rinstructure，andimagingqualityapproachesdiffractionlimit，andthemaximumfieldcurvatureandthemaximumastigmatismnee45Ixm，46txmrespectively；thedistortionislessthan5％．andthemaximumlateralchromaticaberra-tionisonly6．9p,m，whichsatisfiestheneedof“combiningrealwithvirtual”foraugmentedreality．Keywords：augment

6、edreality；head—mounteddisplay；hybriddiffractiverefractive；aspherical1引言设备(Monitor—basedDisplay，MBD)、头盔显示器增强现实(AugmentedReality，AR)借助计算机(Head．mountedDisplay，HMD)、吊杆式双目显示设图形图像与数据交互技术，将虚拟信息实时映射到备(BinocularOmniOrientationMonitor，BOOM)和头真实场景中，两种信息相互补充，增加了人类感知真戴式投影显示设备(Head—mountedProjectiveDis—实场景的信息量与理

7、解程度。play，HMPD)。目前HMD在AR系统中应用较为广AR系统的显示设备负责提供符合人眼视觉感泛，根据实现原理的不同，HMD分为光学透射式受的信息，根据所用显示器件的不同，分为屏幕显示HMD(OpticalSee．throughHMD，OST—HMD)和视频基金项目：总装科技创新人才团队资助基金(No．XX20090515)；总装备部基金资助(No．XX20130301)资助。作者简介：赵守伟(197