轻量化头戴显示器：光学系统设计与性能优化

本文主要探讨了轻量化头戴显示器光学系统的设计，针对虚拟现实头戴显示器（HMD）的需求，即需具备宽广的视场角、大出瞳尺寸以及轻巧、薄型的特性，以便于长时间佩戴舒适性。设计方法基于初级像差理论，该理论是光学系统设计中的基础，对于确保图像质量至关重要。 作者采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）这两种常见的聚合物材料，设计了一款双片式头盔系统。系统的关键参数包括出瞳直径为8毫米，视场角达到了70度，这样的设计使得用户能够获得广阔的视野。整个系统的总长度控制在小于70毫米，且总质量小于30克，实现了轻便性目标。 文章强调了光学性能的优化，全视场的相对照度超过0.4，这意味着系统在整体亮度上表现出色。轴上像差和轴外像差得到有效校正，确保了图像清晰度。边缘视场的点列图光斑半径保持在约70微米，这表明边缘区域的图像质量也相对较高。MTF（调制传递函数）是评估光学系统分辨率的重要指标，文中提到中心视场和边缘视场的MTF值分别达到0.6和0.4在8 cycle/mm处，显示出良好的分辨率一致性。 最令人关注的是，系统的最大畸变控制在2%以内，这意味着成像的几何变形被严格控制在可接受范围内，这对于提供逼真的虚拟现实体验至关重要。实际加工后的系统在标准分辨率板的成像质量测试中表现良好，完全满足了正常使用的需求。 这篇文章深入介绍了如何通过初级像差理论设计出一款轻量化、高性能的头戴显示器光学系统，对于虚拟现实设备的光学设计者和工程师来说，这是一种有价值的技术参考。同时，它也为未来的头戴显示设备提供了实用的设计策略和性能基准。