视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标,为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难,提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统.首先,分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理,指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因.接着,提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差,完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计.系统视场范围为106.3°(H)×80°(V),最大相对畸变为6.97%,出瞳直径8 mm,点眼距19 mm.单目系统向外倾斜8°时,双目视场范围为122.3°(H)×80°(V),双目重叠视场为90.3°(H)×80°(V),瞳距在55～71 mm范围内可调节.对系统性能分析结果表明:相比双椭球结构,系统成像质量得到较大提高;视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求.
头盔显示器 大视场 自由曲面 光学设计