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大视场虚拟现实头盔显示器光学系统研究

孟祥翔  
【摘要】:虚拟现实是利用计算机生成多感知的数字化环境并使人与之发生交互作用的技术,在航空航天、军事训练、模拟仿真、虚拟设计、医疗、教育、娱乐等领域有着非常广泛的应用。虚拟现实技术既包括完全脱离现实环境的沉浸式虚拟现实,也包括叠加于现实环境之上的增强现实。头盔显示器是虚拟现实技术中的关键设备,承担着视觉信息的模拟仿真。大视场头盔显示器所实现的沉浸感是虚拟现实技术的一个重要特征,视场越大,沉浸感越强。但对于固定的显示屏,在增大视场的同时,会导致分辨率的降低。随着显示屏制造技术的不断发展,像素密度和像素数目不断提高,在为头盔显示器提供更多选择的同时也对其光学系统的设计提出了更高的要求。部分双目重叠是一种扩大双目视场范围并且保证分辨率不变的有效方法,其前提是优良的大视场单目光学系统设计。本文对大视场虚拟现实头盔显示器光学系统进行了深入研究。主要内容如下:(1)理论分析了目视光学系统的轮廓尺寸计算和像差特性;分析了提高视场大小对于同轴和离轴两种结构带来的设计难点,为HMD光学系统的设计提供了理论依据。以人眼特性为依据,分析了HMD的主要设计要求及指标。(2)推导了发散式部分双目重叠形式的单目视场、双目视场、重叠视场之间的关系式。分析了大视场低畸变的双椭球HMD在对除畸变以外的其他像差校正的局限性。提出了一种基于双自由曲面反射镜的大视场HMD光学系统,与双椭球结构对比,新结构使得系统MTF提高两倍左右,并简化了中继透镜组和后继透镜组,避免了“W”或“M”形非球面透镜面形的出现。系统出瞳直径8mm,单目视场范围为:106.3°(H)×80°(V),最大相对畸变为6.97%,单目像素分辨率为1920×1200。采用光轴向外倾斜的部分双目重叠形式,光轴向外各倾斜8°,双目水平视场范围为122.3°(H)×80°(V),双目重叠水平视场为90.3°。(3)分析了同轴广角目镜的像差特点,采用三片玻璃透镜和一片塑料透镜,引入五个非球面,实现了基于同轴结构的对角视场不小于114°、全视场相对畸变值小于9.6%、像元分辨率为1920×1080的虚拟现实头盔单目光学系统设计。系统出瞳直径10mm,单目视场范围为:105.6°(H)×73.08°(V)。采用光轴向外倾斜的部分双目重叠形式,光轴向外各倾斜18°,双目水平视场范围为141.6°(H)×73.08°(V),双目重叠水平视场为69.6°。(4)分析了同轴大视场HMD单目光学系统的加工公差和装配公差,并数值分析验证了非球面面形精度公差范围。采用超精密数控光学铣磨加工中心、数控光学表面成型技术对玻璃非球面进行精磨与抛光。使用超精密单点金刚石车削技术加工塑料非球面透镜,并采用高精度接触式轮廓测量仪进行了面形检测。系统的镜筒采用加工中心一体加工成薄壁结构,双目结构通过左旋和右旋的两种螺纹实现瞳距在55~71mm范围内可调节。同时根据部分双目重叠方式的特点进行了图像校正,针对部分双目重叠HMD斜置视场时的双目不一致问题,提出了双目图像的平移校正模型。


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