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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

虚拟头盔显示技术(VR HMD)是利用光学系统将微显示器的图像投影在人的眼前成放大的虚像从而产生“沉浸感”，已在航空航天、军事、医学和娱乐等领域得到了广泛应用。传统HMD光学系统通常采用光学玻璃作为透镜材料，缺点是系统长、体积大、重量太重，因此不适合长时间戴在使用者头部。新型塑料材料的出现，其较轻的质量、较强的抗冲击性，在改善系统成像质量、减小系统体积和重量以及降低成本等方面具有无可比拟的优势，因此，高分辨率、轻质量、小体积已成为现阶段HMD技术研究的主要发展方向，而大视场HMD能够满足虚拟现实沉浸性和交互性的需要也有非常广泛的应用前景，家用仿真电子游戏机和步行者DVD影视系统的出现就是头盔显示器的普及推广应用的典型实例。

国内外研究现状

虚拟头盔显示技术是一种安装在头盔上,给头盔使用者提供可视图像的微型显示装置,可用于虚拟显示，其中光学系统是其重要的组成部分。目前，国内很多研究所和大学都在进行HMD光学系统的开发研究，如北理工、长春光机所、中国科技大学等均申请了相关的发明专利，轻巧、安全、便携、实用型HMD光学系统的设计和开发已成为光学领域研究的一个热点，HMD光学系统根据结构形式可分为目镜结构和投影结构两类：目镜结构属于Non-PuPil形式，也是被广泛采用的一种结构，图像生成器件没有共轨像，眼睛出瞳作为头盔系统的出瞳，具有结构简单、能实现彩色显示等优点,但存在大视场条件下像差校正困难的缺点；投影结构属于PuPil forming形式，光学系统中有瞳面与眼睛出瞳共轭，可用来解决大视场设计和双目实现间的矛盾；投影结构具有成像清晰度高的特点,但同时也有受限于折返屏幕的类型和位置的缺点。

本论文采用常用的目镜结构作为初始结构，研究利用ZEMAX软件完成头盔显示器成像系统的优化设计。

2. 研究的基本内容

虚拟头盔显示技术是利用光学系统将微显示器的图像投影在人的眼前成放大的虚像从而产生“沉浸感”，其中成像镜头是其重要的组成部分。本论文研究利用软件ZEMAX完成头盔显示器成像系统的优化设计，使观察者即能看到外界景物，又能及时看到较大尺寸的图像源显示屏提供给观察者的有效信息；选取目镜结构形式作为初始结构，出瞳直径为13mm，双目叠加视场角为40 30，F数为2.78，波长为531~561nm，要求具有较好的成像质量，校正色差，畸变4%，最大空间分辨率在30lp/mm处0.35，相对于传统的头盔显示系统，采用反射镜折叠光路，缩短系统长度，体积小，重量轻，节约了成本。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：

针对传统hmd成像系统系统长、体积大、重量重、不适合长期戴在使用者头部的弊端，本文利用zemax软件完成hmd成像系统的优化设计，附以合适的目镜使hmd系统拥有较好的成像质量，系统mtf在30lp/mm处 0.35，要求结构尽量简单，体积小，重量轻，外形紧凑。

研究进度：

4. 参考文献

[1]zhao ql, liu tg,wang zq.design of optical system for head-mounted micro-

display[j]. optik: zeitschrift fur licht- und elektronenoptik, 2007. 118.

[2] 吴海清,孙强,王健等. 眼镜式虚拟显示折射/衍射塑料光学系统设计[j]．光电工程,2009,36(1): 98-102.