西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求，提出双自由曲面棱镜结构，利用离轴折/反射的原理，设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数，构建了双棱镜模型，运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论，迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm，出瞳直径为8.5 mm，出瞳距离为21 mm，体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°，全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3，透射通道视场为52°，全视场调制传递函数值在30 cycle/（°）处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析，结果表明，在出瞳直径范围内，人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。
光学设计 头盔显示器 自由曲面棱镜 离轴光学系统 双通道系统 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0522006
为满足坦克、装甲车辆等军用车辆的闭舱、无窗驾驶需求，研制了一套新型辅助驾驶系统。系统将分布于车辆四周的多路光学传感器获取车辆近身场景，通过全景拼接算法得到车辆近身360°的全景鸟瞰视频，该视频显示于车载显示屏，用于车辆通过窄道、有障碍物等特殊路段，或倒车时，驾驶员观看。同时，在车辆通过常规路段时，上述视频可根据驾驶员头部扭转角度，裁选出符合人眼观察视角的车外场景视频，传输至驾驶员显示头盔上，供驾驶员观看。如遇特殊情况，车载显示屏会报警，驾驶员将回归车载显示屏的观看。其中，驾驶员头部位置确定方法采用了红外LED光源图像定位技术和MEMS惯性器件定位技术。在实验室，搭建模型小车，验证全景鸟瞰视频生成技术和头盔自由视点观察技术。此外，还使用真实车辆进行了跑车实验。实验结果表明，上述系统可满足闭舱无窗车辆在常规路况下行驶，速度可达40 km/h，同时可辅助车辆窄道行车、障碍物绕行和倒车等事项顺利进行。
辅助驾驶 显示头盔 红外LED光源 全景拼接 assisted driving display helmet infrared LED light source panoramic stitching 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210632
1 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444
2 光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000
基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。
柱面波导 全息波导 全息光学元件 近眼显示 头盔显示器 激光与光电子学进展
2022, 59(20): 2011012
暨南大学理工学院广州市可见光通信重点实验室，广东 广州 510632
为了实现增强现实头戴显示系统全色显示功能，建立了多层全息平板波导显示系统，并对该系统所采用的衍射原理、光栅常数及对应衍射波长等技术参数进行了研究。首先，根据光栅方程及全反射理论，介绍了全息平板波导入耦合光栅常数与传输光波长之间的限制关系。其次，为了实现光瞳扩展，介绍了转折光栅、出耦合光栅与入耦合光栅之间的限制关系。在此基础上，以550 nm绿光为例仿真设计了单层全息平板波导显示结构。然后，以单层全息平板波导为基础，建立了以685 nm、550 nm和437 nm作为三基色的三层全息平板波导显示系统。最后，使用digital light processing投影系统为光源检验了三层全息平板波导加工样品的出光效果。实验结果表明，三层全息平板波导可以实现光瞳扩展和全色显示。多层全息平板波导能够实现增强现实头戴显示系统全色显示。
全息 全息光栅 多层平板波导 全色显示 出瞳扩展 增强现实显示头盔 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1209001
盐城师范学院物理与电子工程学院，江苏盐城224007
基于Erfle透镜结构，设计了可用于头盔显示系统的传统折射式目镜。在此基础上添加了衍射面，设计出了折衍射目镜。这两种系统的基本结构参数相同，出瞳距为27 mm，出瞳直径为8 mm。与传统折射式结构相比，折衍射目镜的总长度减小了11%，重量减轻了约23%，畸变减小了59.45%。考虑到衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率对系统调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）的影响，在40 lp/mm空间频率处，折衍射头盔目镜轴上视场的MTF值和最小MTF值分别高于0.68和0.28，满足设计要求。该系统可以应用于虚拟现实的头盔显示系统。
光学设计 目镜 头盔显示器 optical design eyepiece helmet display
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室, 吉林 长春 130033
增强现实头盔显示器(HMD)需要两个或更多焦平面,用以显示不同焦距上的画面,既能增强景深效果又能减少单焦面带来的视觉辐辏冲突及不适感。较为传统的解决办法是使用两块分离的图像生成单元(PGU)分别显示两个焦面的内容,增加了成本,降低了可靠性并且体积庞大。使用单个图像生成单元和单个自由曲面棱镜设计了一个新的结构,在图像生成单元上设置两个分开的区域,并通过平面反射镜将其中一个图像区域中继到新的较远位置以实现双焦面显示,最终得到一个视场角为18°×16°,出瞳直径为8 mm,波长为540~640 nm,出瞳距大于15 mm,焦距为95.2 mm和35.2 mm的双焦面头盔显示光学系统。
光学设计 头盔显示 双焦面 自由曲面 光学学报
2020, 40(13): 1322004
中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
针对视觉式头部姿态测量系统存在编码特征点安装空间需求大的问题, 设计一种结构简单、需求空间小的瞄准线测量方法。使用定位摄像机拍摄头盔上的编码特征点图像, 计算机对图像进行解析和计算, 结合正交迭代(OI)算法解算头部姿态。根据编码特征点随意布局特点进行了多组多次的仿真分析, 仿真数据表明此方法是合理、有效的, 利用小空间布局的编码特征点可以解算出高精度瞄准线。
头盔显示器 头部姿态测量 编码特征点 正交迭代算法 瞄准线 Helmet-Mounted Display(HMD) head pose measurement coded feature point orthogonal iterative algorithm line of sight
1 中国航空工业集团公司利益电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
2 海军装备部驻洛阳地区军事代表室, 河南 洛阳 471000
针对头盔瞄准线快速、精准测量的要求，研究一种全新的综合瞄准线测量方法。在电磁瞄准线测量基础上，增加微惯性测量技术，实现头部姿态的高精度、快速、实时测量。通过卡尔曼滤波算法以及微惯性器件零偏估计，将电磁和惯性测量技术融合在一起进行综合瞄准线测量。根据瞄准线测量原理建立有效的数学模型，并用实物搭建实验平台进行测试和验证。实验结果表明，惯性和电磁综合瞄准线测量技术可以快速、有效地计算出高精度瞄准线。
头盔显示器 瞄准线测量 综合测量 电磁 惯性 HMD LOS measurement integrated measurement electromagnetic interial
