基于衍射面的双目投影头盔光学系统设计

　　引 言

　　头盔显示器(Head-mounted Display, HMD)最初是安装在飞机及车辆驾驶员头盔上，用于观察和瞄准的一种显示仪器。近年来，头盔显示的应用领域已经扩展到虚拟现实、工业生产、模拟训练、显微 技术、医疗、娱乐等社会发展的各个方面[1]，世界各国都加紧了在这一领域的研究和开发。各种用途的头盔显示的迅速发展给光学系统提出了更高的要求。衍射 光学元件是近年来的一个研究热点，它以负色散及对波面进行任意整形的特点，在改善成像质量、减小系统的体积和重量以及降低成本等方面具有传统光学系统无可 比拟的优势[2]。光学设计人员逐渐将这一技术应用到头盔系统设计中。随着 HMD 的快速发展，出现了一些传统设计较难解决的问题。其中较重要的有宽视场的设计导致大畸变以及大视场时双目显示实现难的问题[3-4 ]。普通的 HMD 很难同时满足畸变和视场的要求，一般是牺牲视场来满足畸变。

　　为了解决上述问题，获得满足宽视场的双目系统，设计了一种投影式头盔显示器( Head-mountedProjective Display, HMPD)。该系统以微液晶显示器为图像源，由一组双高斯透镜，一个半透半反镜和一个回射屏组成。双高斯透镜中包含一个衍射面。设计结果讨论了各种像差的 表现情况，其中目视系统中需重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为 0.32mm 和 13.1μm，最大畸变不足 0.1%;计算了系统的最小角分辨率;最后讨论了衍射面的结构参量和现有的加工条件下制备衍射面的可行性。

　　1 系统结构

　　在普通HMD 中，使用者眼前放置着一个由两片半透半反镜组成的光学组合器，其中一片是凹面的。双目设计时，需要在每个眼睛前都要放置一个这样的凹面半透半反镜。双目设 计要求光学系统的直径应小于46mm，随着视场的增大，这片凹面镜的直径很快达到了这一限制。图1 为出瞳距离23mm，出瞳直径12mm，普通双目HMD 的结构，视场仅为28°。

　　本文设计用回射屏代替普通 HMD 中的凹面半透半反镜。回射屏是一种表面覆盖着各种微小结构阵列的反射材料，这些微结构使回射型材料的反射特性区别于漫反射和镜面反射(如图2 所示)，它能使入射到其表面的光线按近乎原路返回。目前常见的微结构阵列有微珠和微直角棱镜阵列两种，微珠阵列利用镜面反射，而微直角棱镜阵列则利用内部 全反射来达到反光效果[5]。图3 为几种回射型材料的表面微结构照片[4]。

　　图4 为玻璃微珠回向反射模型。回射型材料原本应用于交通指示和道路安全领域，用来把从车灯发出的照射到交通警示牌上的光反射到司机的眼睛里，这种材料可以在交 通安全领域的公司买到。目前的回射型材料所能达到的最大入射角约为70~80°，超过这个角度后，大部分光线将散射(反射)掉，因而无法被“回射”。