頭盔顯示器自由曲面光學組件的優化設計

張 博，王 凌，常偉軍，陳 姣，焦明印

(西安應用光學研究所, 陜西 西安710065)

引言

隨著科技的發展，頭盔顯示器在醫療、娛樂以及軍事上的應用越來越廣泛。它對其中的光學鏡頭要求質量輕、結構緊湊，傳統的共軸光學系統難以滿足使用者越來越高的要求。隨著計算機技術的發展，運用自由曲面棱鏡進行頭盔顯示器中光學系統設計的例子越來越常見[1-3]。

自由曲面棱鏡的引入，使得光學系統由一組共軸鏡片簡化為單一的棱鏡，實現了減輕質量、縮小體積的目的，同時光學系統中自由曲面的引入，增加了設計優化過程中的自由度，可以更好地校正系統像差，但優化過程中需要考慮的因素也隨之增多，優化結果與效率較差。本文根據實際需求，運用不同優化方法，分別完成了以澤尼克多項式曲面為面型的自由曲面棱鏡的優化設計，通過像質比對表明分步優化更加適用于該系統的優化設計。

1 澤尼克多項式與像差關系

對于含圓形光瞳而不含旋轉對稱軸的光學系統，其像差函數可以展開為正交澤尼克圓多項式。具體如下[4]：

式中：

其中n和m是含零正整數，n-m≥0且為偶數。

2 系統結構設計

2.1 技術要求

系統技術要求為

圖像信息顯示源：0.61″ OLED

像面尺寸：12.78 mm×9 mm

像素數：852像素×600像素

像元尺寸：15 mm×15 mm

視場：32°×24°

瞳距：20 mm

出瞳直徑：3 mm

棱鏡材料：光學玻璃

2.2 初始結構計算

依據視場計算出系統焦距f′=21.472 mm。光學系統采用常見的自由曲面棱鏡的結構形式，如圖1所示。該自由曲面棱鏡是一個關于YZ平面對稱的離軸折反射式光學系統，由S1(S3)、S2和S4等3個面組成，其中S2為反射面，S4為折射面，S1(S3)面則被光線入射2次，從使用時的光線傳播過程來看，第1次為反射(S3)，第2次為折射(S1)。……