自由曲面光学系统设计及其应用

4 应用实例

利用自由曲面进行的头盔光学系统设计，需考虑物理边界条件、全反射控制条件、成像性能和像差的要求、出瞳距和有效出瞳距控制要求、光学曲面的曲率半径约束条件等因素。我们设计的自由曲面头盔光学系统，相关参数可达到国际领先水平，如图３所示。

图3.头盔光学系统示意图

它具有显示器小、数值孔径大、视场角大等特点。在国内外对比文献中公开的采用单片自由曲面棱镜的头盔目视光学系统，其出瞳直径、视场角等关键技术参数均明显低于本系统。相比于传统的旋转对称光学系统，其视场角、出瞳距、出瞳直径、焦距等光学特性参数都一致，但其重量是旋转对称光学系统的1/7，厚度为1/2，且实现了光学透射式。

头盔显示器中的微显示器分辨率有限，头盔的视场和分辨率是相互制约的。为实现大视场、高分辨率的头盔显示，我们提出一种新型自由曲面拼接式头盔显示器，它是唯一能真正实现大视场、高分辨率的头盔显示器。传统拼接式头盔显示器有光轴与人眼视轴不重合、需要眼部跟踪设备、有效出瞳距离和直径缩小、透射畸变、系统笨重等缺陷；而新型自由曲面拼接式头盔显示器具有离轴结构和自由曲面相结合、拼接时不需要物理旋转、有效出瞳距离不变、光轴与视轴重合、易于实现光学透射、结构紧凑重量轻等特点，解决了传统拼接式头盔显示器的相关问题。