| (头盔显示系统研究 毕业论文 47页 15414字 ） 摘要： 头盔显示器(HMD)是现代显示技术的一种新技术，在现代军事以及虚拟显示中有极其重要的应用。尤其是在航空航天飞行器中如何将大量的重要信息有效地展示在驾驶员眼前，一直是人们研究的焦点。头盔显示为大信息量、全天候显示打下了基础。目前只有少数几个国家开展了该方面的研究工作，我国还未有成熟的头盔显示器。 本文介绍了HMD光学系统的工作原理和组成，主要研究直视型头盔显示系统，该系统包括显示元件、中继系统、目镜系统三个部分。设计了以0.61英寸OLED为显示元件，放大倍数为-2倍的中继系统，25度视场角，大的眼瞳距离的目镜系统。由于该系统组成比较复杂，为了简化系统结构，减小体积，在光学系统中应用折/衍混合元件，可以有效的实现系统得轻量化和小型化。 关键词：头盔显示器；OLED；中继系统；折/衍混合 中图分类号：TN2 Research of the HMD Abstract：Helmet Mounted Display(HMD),which acts as a important role in modern Military affairs and virtual display, is a new technique of modern display technology. Especially, it is people's researching focus to display a great deal of information in front of the crew's eyes in an aircraft. At present only a few countries do this work whereas China has not a mature HMD applied. This paper briefly introduces the work principle and the construction of HMD optical system，and the main research is the direct view HMD optical system which includes display components, the relay system, the eyepiece system. The specification of display component is 0.61 inches OLED display component, and the magnification of the relay system is -2 times. In order to make the user feel comfortable, the eyepiece system has a large eye-relief , and the FOV of the eyepiece is 50 degree. As the composition of complex systems, in order to simplify the structure, size reduction, substituting the conventional optical elements with BOE can make HMD optical system a lightweight and compact. Keywords : HMD；OLED；Relay system；BOE Classification：TN2 目次 摘要： I 目次 III 1.前言 1 2.显示器件 3 2.1 传统显示器件的介绍 3 2.1.1 CRT显示器件 3 2.1.2 反射式有源矩阵驱动型液晶显示器LCOS 3 2.2 OLED显示器件 4 3. 二元光学的基本原理 7 3.1 二元光学的发展 7 3.2 二元光学的机理及二元光学元件的特点 8 3.3 二元光学元件的设计及制造 11 3.3.1 衍射效率 11 2.3.2 二元位相表达式 12 3.3.3 二元光学元件的设计 12 3.4 二元光学元件的应用 14 4.中继系统的设计 16 4.1 使用传统镜片组设计的中继系统 16 4.2 使用折/衍混合元件之后的中继系统 19 4.3 折/衍混合系统和传统系统对比分析 22 5.1 传统目镜系统 23 5.2折/衍混合元件在目镜系统中的应用 26 5.3 折/衍混合系统和传统系统对比分析 29 6.小结 31 7.展望 33 参考文献 34 附录 35 作者简历 39 学位论文数据集 40 1.前言 在近年显示器件的发展中，人们把关注的重点纷纷投向诸如液晶(LCD)、等离子体(PDP)、电致发光(EL)、真空荧光显示(VFD)、场致发光(FED)等平板显示器件(FPD)的大屏幕显示上。但在这些平板显示器件的发展过程中，显示器件的另一个分枝——包括平视显示(Head-Up Displays，HUD)[1]和头盔显示(Helmet-Mounted Displays，HMD)[2]等的微型显示系统，也伴随着高分辨率显示器件的发展而成长起来。特别是近年来虚拟现实(VR)技术的发展[3。4]，以及现代数字化部队的装备需要，使得以头盔显示为代表的微型显示器件在这些领域占据了重要的地位。 HUD可以使驾驶员直接从驾驶时的平视视场中获得信息，而不用俯视仪表盘。现代高速的交通工具，使得驾驶员要处理的信息量越来越多，也越来越复杂，这就要求对信息有快速的识别时间；同时，高速驾驶时驾驶员的视场变窄，仅能集中在前方视场的中心部分；另外，驾驶员年龄的增大，老年驾驶员眼睑的下垂和远视使得观看俯视角大、距离较近的仪表盘变得困难，这些都使得采用HUD系统显示各种信息比传统的仪表盘系统具有更大的优越性。 现代战争的需要和虚拟现实技术的发展[5]，使得HUD得到了进一步的发展和应用，头盔显示(HMD)技术正是在HUD 的基础之上发展起来的。头盔显示克服了HUD的许多不足。诸如：HUD被固定在载体上，驾驶员除非移动载体，不能叠加信息符号在他们视线搜寻的地方；HUD只能提供较小的视场等的不足之处，并成为微型显示系统的代表。 本文主要是介绍HMD的光学系统，并介绍折/衍混合系统，让大家认识到这个系统的优越性，对此，我们将会分成中继系统和目镜系统两个系统来进行对比分析。 头盔显示在现代技术领域的应用相当的广泛，无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力[6]，HMD 都得到了应用。 军用头盔式显示器是最早的微型显示器，随着平板显示技术的进展，头盔式显示器进一步演化为更加小型化、轻量化的眼罩式显示器和眼镜式显示器。并且微型显示技术的不断进步和成熟，使头盔显示技术不仅仅应用在军事装备方面，在消费类电子产品中也将得到普遍的应用。 头盔显示器一般由以下几部分组成: 图像信息显示源、中继系统和目镜系统。其结构如图1.1。 图象显示信息源是指图像信息显示器件，一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、V FD、LED、FED、PDP 等平板显示器件。透射式液晶显示是最早用于微型显示的平板显示器件，取代早期头盔式显示器中使用的CRT显示器件。LCD具有较高的开口率，可以获得较高的分辨率，是目前微型显示的主流器件。采用微电子技术与液晶显示有机结合的新型微型显示器件LCOS[7]的迅速崛起，由于其固有的特点，可望成为微显的主流器件。而自发光的OLED可能成为新一代的微型显示器件。对此，经过分析比较，本次设计将采用OLED显示器件来作为图像源。 光学系统的设计不仅关系到成像质量的好坏，还影响到头盔显示的体积和重量，以及观察者在长时间观看时是否疲劳，因此光学系统和视觉感受是头盔显示研究的重要部分。国外头盔显示器公司一般采用商用的光学设计软件进行光学系统的优化设计，如目前较好的ORA 的CODE V 和Light Tools 是常用的可视化的光学系统优化、光轨迹的计算软件。但是，它们的价格也比较昂贵，如CODE V 在六万美元左右，一般用于航天航空系统中的光学设计。根据应用的层次的不同，也有一些价格相对较低定的软件，如ZEMAX，价格在四千美元左右。本次设计就是采用ZEMAX软件来进行设计。 本次设计主要是将光学系统分成两个部分来进行设计：中继系统和目镜系统。并针对这两个系统来进行优化，使系统能更小，是头盔质量更轻，体积更小。能使其应用的领域更加宽广。 |
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