在幻影成像系统中，投影式成像装置具有制造成本低、成像系统操作便捷的优点，但由于投影光线发散和光源处光束偏轴角的存在，投影图像照射到四棱锥斜面时会发生几何畸变，导致三维模型失真。针对该问题，提出一种投影图像局域几何畸变的校正方法。通过提取投影图片，分析并建立投影图像形状和三维模型失真程度的映射关系，利用透视变换，构建投影图像局部几何畸变的矫正模型，实现三维模型的失真补偿。实验结果证明，校正后图像边长误差从34.4%降低到3.3%，角度误差从18.3%降低到3.3%，验证了该方法的有效性和可行性。

基于空气折射率梯度测量的原理,采用投影式背景纹影技术,设计了非接触式火焰温度场测量仪。测量仪以半导体激光器作为光源,采用CCD快速成像,结合粒子图像速度场仪技术,获取了图像上粒子的偏移量以量化偏折角。采用Radon变化求得折射率梯度,利用空气折射率对温度的非线性曲线拟合方程直接得出流场各区域的温度场,采用反投影重建技术对火焰的不均匀温度流场进行了三维重构,实现了火焰温度场的可视化测量。

为了辅助静脉穿刺及相关的医疗操作, 设计了一款基于投影式头戴显示器(HMPD)的静脉显像系统, 其光学系统由近红外成像系统和穿透型HMPD构成。利用光学设计软件ZEMAX优化设计近红外成像系统, 使其具有F/26的大数值孔径, 有利于弱反射红外光的收集成像。穿透型HMPD采用与近红外成像系统相同的光学结构, 有利于简化系统的加工装调。设计结果表明, 近红外成像系统成像质量优异, 分辨率达到QXGA(2 048×1 536)。穿透型HMPD具有18 mm的大出瞳直径及25 mm的大出瞳距离, 场曲小于003 D, 畸变小于032%, 达到QXGA分辨率显示模式。与现行的静脉显像系统相比, 本显像系统结构简单紧凑、佩戴舒适, 且具有超高分辨率, 是一款适用于辅助医疗的目视系统。

柱透镜光栅投影3D显示系统由定向反射屏(包括柱透镜光栅和漫反射屏)和若干个投影仪组成, 可实现多视点不同立体图像的显示。为了确定该系统可设置的投影仪个数、可实现的视点个数、串扰以及较小串扰前提下视点的宽度, 文中通过分析柱透镜光栅投影式3D的显示原理, 给出了单个投影仪主次视区距离的计算公式, 同时给出了单个投影仪主视区宽度的计算公式, 并利用TracePro光学仿真软件验证了公式的准确性。由主次视区距离进一步得到了该3D显示系统中可设置的投影仪个数及视点个数, 并根据主视区宽度及视点个数分析了串扰大小、每个3D观看视点的宽度。文中给出的实际设计参数举例中, 都实现了8~20个3D观看视点。当主视区宽度接近人眼瞳孔距离(取65 mm)时, 可实现串扰小于10%的前提下, 每个视点宽度达到40 mm左右。

进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法,应用接近实际情况的眼模型来模拟人眼对头盔物镜系统进行评价。由视空间的评价结果出发,从眼模型的成像效果反过来进一步指导头盔系统的设计工作。设计结果显示,轴上视场和大视场的调制传递函数特性良好,在轴上视场可以达到1′的人眼最小分辨角,在大视场可以达到微显示器单个像素确定的视锐度,表明此系统在视空间的分辨力满足实际使用需要。系统最大畸变小于5%,色差不会对人眼分辨产生影响。

提出理想透镜像距不变,通过改变其焦距来模拟人眼调节完成视空间性能评价的一种新方法.对45°投影式头盔物镜系统进行了精确的视空间评价.其MTF评价结果显示,系统在眼睛注视0°视场时可达到1 arc minute的分辨率;注视+13.1°视场时可达到1.4 arc minute的分辨率.眼睛无论是注视0°视场还是+13.1°视场,只有在一定的视场范围内,调节模糊和像散模糊才不会影响图像的清晰程度,且系统的横向色差和二级光谱均小于人眼的最小分辨角,不会对成像清晰度造成影响.眼睛注视+13.1°视场时,系统的调节和调节模糊、像散和像散模糊、横向色差和二级光谱均具有明显的非对称性.此外,与改变理想透镜像距进行视空间评价的结果相比较,只有注视13.1°视场时的MTF差别较大.

利用双层衍射元件设计了一款折衍混合投影式头盔光学系统.系统的衍射效率在可见光波段》90%,提高了像面图像的对比度,增加了色彩真实性.在出瞳距离为25 mm,出瞳直径为10 mm条件下,系统的视场角为50°,有效焦距为32 mm,直径为19.2 mm,重量为7.8 g,继承了投影式头盔光学系统的轻小性特征;调制传递函数(MTF)在38 lp/mm时,边缘视场达到0.3以上,中心视场达到0.6,充分满足2.8 cm(1.1 in)彩色LCD微显示器的SXGA显示模式;系统垂轴色差为8.2 μm,场曲为0.4 m-1,畸变为5%,成像质量满足虚拟环境和可视化训练要求.文中给出了双层衍射元件的二元面特征曲线,每周期刻蚀八个台阶时,最小特征尺寸为6.3 μm,且易于加工实现.

设计了一款适于医疗培训用投影式头盔物镜系统,出瞳直径8 mm,视场50°,能够满足对角0.9英寸微显示器对超高分辨SXGA模式的显示要求.其结构紧凑,口径10 mm,长度12 mm,重量仅有5 g.本物镜系统场曲仅0.35 D,畸变仅0.64%.为考察本投影式头盔系统的成像特性,研究了不同"逆反射材料"的特性.实验得到高强级逆反射材料在±40°视场范围内反射光强无明显变化,适合做为投影屏幕材料,定量分析了逆反射屏放置位置对成像的影响.

根据现代化头盔显示系统在像质、畸变和轻小型化方面的高要求,设计了一个视场为62°、出瞳距离为30 mm、出瞳直径为8 mm、采用2.794 cm(1.1″)微显示器的折/衍混杂投影式头盔的物镜系统.设计结果表明,系统满足高清晰的XGA的显示模式,其畸变仅为±0.66%.其质量也仅为62 g,是传统头盔光学系统的1/6,实现了轻小型化.结合投影式头盔显示的其他特点,如物体的正确"闭塞"、深度可感知、多用户的互不干扰等,本设计系统在可视化培训、交互环境、掌中电脑、数字化个兵等领域有重要的应用.

对一款折衍混合投影式头盔(Head-mounted projective displays,HMPDs)物镜进行了精确的视空间评价,并给出了详细的评价步骤和评价结果。在对调制传递函数(MTF)进行评价时,充分考虑了人眼的焦距和瞳孔对评价结果的影响,给出了调节和像散所造成的分辨力损失的计算公式。评价结果显示：对于3 mm瞳孔,该系统中心视场调制传递函数在0.5 cycles/(′)达到了0.55,达到了人眼的最小分辨角(1′)。当眼睛注视投影像面中心时,轴外点最大需要0.35D的调节量,由此造成的分辨力损失最大为3.5′。由于像散造成的分辨力损失最大只有1.1′。横向色差和二级光谱最大值分别只有0.57′和0.17′,均小于人眼的最小分辨角。这些结果证明此设计满足投影式头盔物镜的使用需要。该方法适用于所有的头盔系统在视空间的性能评价。