双目头盔显示器系统光机设计

邵晓君

哈尔滨新光光电科技股份有限公司 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：目前头盔显示器发展迅速，已经逐步成为常见的头戴式图像观察设备，并且已经在众多领域发挥出巨大的应用价值和较好的发展前景。双目头盔显示器系统相比于以往的单目系统优点非常突出，能够给使用者提供更大的视场，同时更符合人眼的使用习惯。双目头盔显示器功能可以进行相应的扩展，具有广阔的提升空间，包括加入无线信号传输，屏显和信息管理等，能够有效提升目视领域技术的应用水平，更有利于双目系统技术的应用与推广。

关键词：双目头盔显示器；设计；应用

引言

双目头盔显示器原理是通过光学系统对微型显示器的图像进行放大，并投射到使用者的视网膜上，实现了景物放大并模拟远距离观测的效果。随着现今科技的不断发展，双目头盔显示器在航天、医疗、教育、娱乐、监控等众多领域充当着非常重要的角色。

一、双目头盔显示器系统概述

世界上首台头盔显示器在上世纪60年代诞生，为视觉设备领域的发展做出了巨大贡献。我国在头盔显示器方面起步稍晚，但是从事视觉开发专业的技术人员较多，现在已经逐步赶上世界领先水平。

国内头盔显示器最初均采用单目式，操作困难，使用极为不便，因此现在主流开发方向已经转变为双目系统。双目头盔显示器从开始的功能初步实现，到现在的轻量化、清晰化、简单化，性能得到了巨大的提升。

二、双目头盔显示器系统设计的主要流程

双目头盔显示器设计首先需要考虑到人眼特性，通过ZEMAX光学设计软件进行模拟，得出系统的可行性。

其次，设计光学系统时需要对整机性能进行理论评估和控制系统的体积以及重量，这样才能够最大限度的提升人员使用的舒适感，满足其在不同条件下的适应性需求。

除此之外，在设计过程中，为了避免视角遮挡，需要在人眼前端设计反射透镜，在内部通过一定的棱镜分光技术来实现系统的构建。

为了更好的接近衍射极限，实现便携轻量化的模型，设计初期需要建立一个更适应成像的技术要求，满足一体化的设计的初始结构。笔者提供的技术参数为焦距25mm，入瞳为4mm，对角线视场为35°。具体的空间布局可以根据实际需要进行适当的调整，以方便后期进行产品技术优化与改造，还需要留下一定的提升的空间。

结合成像点的几何特征来看，对称性良好是确保光学设计的基本要素，而根据能量集中曲线进行设计可以有效提升成像的几何形状对称性，这也是在设计中必不可少的环节之一。最后，对于视觉系统应该尽量控制光学系统的畸变和场曲，并且根据人眼特性，使得成像质量达到人眼可接受范围内。

三、双目头盔显示器光机设计与分析

光机设计的主要内容包括光学系统设计、机械支撑结构设计、外形设计等方面。其中，光学设计包括透射部分和反射部分，机械支撑结构设计主要包括光学组件镜框、显示屏框架和头盔结构部分。为了进一步分析双目头盔显示器系统光机的设计优化策略，分别从以下几个方面进行分析：

1.材料选择

由于系统最终状态要求轻量化、便于携带，因此在选择材料时尽量选用易于加工、重量轻的材质。笔者优先选择亚力克这种材料作为整机中的分光系统。在两个直角棱镜对接面镀半反半透膜，并控制直角棱镜的角度和尺寸公差。为了校正系统像差，在棱镜前后各加入一片光学镜片，材料选用国内成都光明。众所周知，普通球形镜片本身带有较大像差，因此采用基于国内较为成熟的非球面加工手段。

非球面是指不能用一个半径确定的面形，包括旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面两种。非球面的优点很多，其中包括：可以减少光学镜片数量，可以减少系统的整体倾斜，更能够校正系统中除了场曲以外的各种像差，而且由于非球面成像的特性，往往在光学系统中仅加入少量的非球面镜片，就可以使整个系统在成像性能方面产生质的飞跃。

因此在本设计中前后加入的两个镜片均采用非球面。这样既可以减少镜片的数量，同时又可以满足较好的成像质量，达到近似衍射极限。

2.选择机械支撑方式

支撑结构设计对于整个系统来说至关重要，本次研究选取在双目镜组周边加入矩形镂空镜框作为光学系统的支撑部分。根据不同的组件的功能需要与作用类型，在现阶段的光机系统设计中，镜框都需要选择刚性大、性能稳定的材料，同时这部分材料更需要重点关注支撑的稳定性、结构与光学透镜的膨胀系数线性化，这样才能够保证不同类型的材料的相互适应性。

综合考虑到本系统的应用规格，选择结构时要参考到经济因素、线膨胀系数等主要因素，比如说头盔材料可以选择PVC，而连接结构注重稳定性则可以选择少量铝合金。这样一来，整个设计环节的材料强度、匹配程度都可以达到一定的标准，更好的完成设计任务。

3.系统成像性能分析

本系统采用ZEMAX进行光学系统设计和模拟，借助于有限元软件可以对系统进行力热耦合分析，其主要分析的内容是指人员在不同的环境条件下使用时，成像系统随着环境的改变对成像质量造成的影响是否满足使用需求。利用软件进行处理后拟合出的结果，将拟合数据、热力学影响标准输入到ZEMAX软件中，从而可以对传递函数曲线、系统点列图、波像差图、点扩散函数、几何能量分布等多方面进行观察、分析，从而进行对系统的综合评价，更好的分析系统的设备适应性与稳定性。

总结

综上所述，根据国内目前的研究方向和加工生产能力，结合光学设计原理进行双目头盔显示器系统的设计，能够有效扩大视场，提高视觉体验，同时可以控制加工成本，从而实现系统性能的有效提升。更重要的是实现了对实时监测的要求，更好的满足航天领域的应用以及民用的技术推广。为了分析双目头盔显示器系统的光机设计的基本策略，本文也着重从材料选择、支撑结构以及成像质量等多方向进行了阐述，希望可以为我国目视系统领域的技术应用与推广贡献一份力量。

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