基于ZEMAX的3D虚拟头盔显示器的光学设计方法研究

摘要：根据目镜光学系统原理，采用 ZEMAX 软件来确定 3D 虚拟头盔光学显示系统的结构设计方法研究和性能优化。给出了具体设计实例，设计结果表明，3D 虚拟头盔光学系统的总长小于 49 mm、垂轴像差小于 60 μm、轴向球差小于 0.1 mm、倍率色差小于 20 μm、场曲小于 0.4 mm、畸变小于 5%、MTF 在 30 lp/mm 大于 0.32，总体质量满足 3D 虚拟头盔显示器的要求。

0.引 言

头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）的原理是将小型显示器所产生的影像藉由光学系统放大[1-3]，即微显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方的效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉。

性能良好的微显示器件的引入不仅使头盔系统有更好的性能/价格比，而且使系统变轻变小。由于微显示器的小尺寸，高分辨率的特点也给头盔显示的光学系统设计带来了根本的变化，提出了更高的技术指标要求[4-5]。现代的 HMD 要求光学系统具备大视场、短焦距、相对孔径小、大出瞳直径和大出瞳距离等特点，而实际上，这些要素有些是相互矛盾的，比如，短焦距同大出瞳尺寸之间的矛盾问题，关键是怎样平衡这样的矛盾来达到 HMDs 既能设计出来，也能有一定的“浸没感”。因此，用于现代化头盔 3D显示的光学系统的设计方法研究正成为二十一世纪科学研究的一个热点[6-7]。

针对头盔 3D 光学显示系统的设计方法，采用eMagin 公司生产的 OLED，其对比度为 100:1、彩屏亮度达到 70 cd/m2以上、彩色像素为 15 μm×15 μm，拥有 0.61"微显示屏[8]，设计一个基于 ZEMAX 软件的新设计方法的 3D 虚拟头盔显示器光学系统。

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