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光学学报 2025年

作者：郭相辛牟达刘镐林刘丁萌张腾飞余杰长春理工大学光电工程学院长春理工大学光电测控技术研究所

由于常规汽车增强现实平视显示器(AR-HUD)存在单图像层单焦面显示，特殊面型优化设计困难，宽画幅下清晰度较低等问题，为此我们提出一种基于单像源双焦面双自由曲面AR-HUD成像系统设计方法，适配任意类型给定风挡。首先通过马吕斯定律... 详细信息

由于常规汽车增强现实平视显示器(AR-HUD)存在单图像层单焦面显示，特殊面型优化设计困难，宽画幅下清晰度较低等问题，为此我们提出一种基于单像源双焦面双自由曲面AR-HUD成像系统设计方法，适配任意类型给定风挡。首先通过马吕斯定律与折射定律求解点云包络信息，视场扩展求解满足相邻域连续条件后，数据拟合以光滑拼接多项式(SSP)进行表征构建初始架构，最后利用光程反馈迭代法对边缘视场进一步优化，确定最佳拟合系数。仿真结果表示在单光机投影下满足近场基础信息和远场宽画幅交互信息的同时显示，算法迭代优化效率高，并通过SSP表征曲面与传统XYP曲面对比表明系统波前误差和边缘视场MTF、网格畸变都得到明显改善。进一步证明了所提出的设计框架的可行性和优越性。

关键词：光学设计抬头显示器光学自由曲面优化方法双焦面

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基于双图像生成器的双焦面抬头显示系统光学设计

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光学学报 2022年第14期42卷 180-185页

作者：孔祥旭薛常喜长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室吉林长春130022

增强现实型抬头显示器拥有比传统抬头显示器更加丰富的显示内容。理想的增强现实型抬头显示器需要显示多个不同深度的虚像来呈现基础与交互信息,但传统的解决方案多为通过高速旋转反射镜或光学变焦系统来显示两种深度的内容,可靠性较低... 详细信息

增强现实型抬头显示器拥有比传统抬头显示器更加丰富的显示内容。理想的增强现实型抬头显示器需要显示多个不同深度的虚像来呈现基础与交互信息,但传统的解决方案多为通过高速旋转反射镜或光学变焦系统来显示两种深度的内容,可靠性较低,存在驾驶安全隐患。提出了一种采用两块图像生成单元和单块自由曲面镜实现双焦面显示的离轴反射式光学结构,通过添加一块平面反射镜增加远场光路物距,从而实现双焦面的显示,最终得到一个视野盒大小为130 mm×50 mm、视场角分别为5°×1°和10°×5°、虚像距离分别为2.5 m和7.5 m的双焦面抬头显示器系统。该研究结果不仅满足了近场基础信息与远场交互信息同时显示的需求,景深的显示效果也同样得到了改善。

关键词：光学设计抬头显示器增强现实自由曲面双焦面

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基于单图像生成单元的双焦面头盔显示光学系统设计

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光学学报 2020年第13期40卷 162-167页

作者：孙路通王灵杰王蔚松刘铭鑫中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室吉林长春130033

增强现实头盔显示器(HMD)需要两个或更多焦平面,用以显示不同焦距上的画面,既能增强景深效果又能减少单焦面带来的视觉辐辏冲突及不适感.较为传统的解决办法是使用两块分离的图像生成单元(PGU)分别显示两个焦面的内容,增加了成本,降低... 详细信息

增强现实头盔显示器(HMD)需要两个或更多焦平面,用以显示不同焦距上的画面,既能增强景深效果又能减少单焦面带来的视觉辐辏冲突及不适感.较为传统的解决办法是使用两块分离的图像生成单元(PGU)分别显示两个焦面的内容,增加了成本,降低了可靠性并且体积庞大.使用单个图像生成单元和单个自由曲面棱镜设计了一个新的结构,在图像生成单元上设置两个分开的区域,并通过平面反射镜将其中一个图像区域中继到新的较远位置以实现双焦面显示,最终得到一个视场角为18°×16°,出瞳直径为8mm,波长为540~640nm,出瞳距大于15mm,焦距为95.2mm和35.2mm的双焦面头盔显示光学系统.

关键词：光学设计头盔显示双焦面自由曲面

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基于共聚焦原理的双焦面双光子荧光显微成像系统研究

基于共聚焦原理的双焦面双光子荧光显微成像系统研究

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作者：李培华中科技大学

学位级别：硕士

双光子荧光显微成像技术因为具有天然层析能力、适用于厚组织成像等特点,被广泛应用于生物学研究中。典型的双光子荧光成像技术采用逐点扫描策略,虽然采用更快的扫描器件,可以对单个平面成像达到视频帧率,但对分布于轴向的多个平面进行... 详细信息

双光子荧光显微成像技术因为具有天然层析能力、适用于厚组织成像等特点,被广泛应用于生物学研究中。典型的双光子荧光成像技术采用逐点扫描策略,虽然采用更快的扫描器件,可以对单个平面成像达到视频帧率,但对分布于轴向的多个平面进行成像时,则会因轴向扫描速度慢而限制不同平面图像数据获取的速度。解决这一问题的一种方法是采用电可调谐透镜等器件提高轴向扫描速度。另一种思路则是同时对多个平面进行并行的双光子扫描成像。本文对基于并行成像思路的双光子成像方法进行了探索,提出了基于共聚焦成像原理的、双焦面同时成像的双光子荧光显微成像方法。将入射光束分为两束,通过调节其中一束光的发散和会聚,使得在样品位置形成两个焦点,两个焦点处于不同的轴向位置。通过定制带孔反射镜,分离来自两个焦点的双光子荧光信号,实现两个平面的同时双光子成像。基于这一成像方法,建立了一套双焦面同时成像的双光子荧光显微成像系统。通过光路中的扩束系统可对两焦点之间的间距进行设定。分析了带孔反射镜的厚度、倾斜角度、小孔等参数对双焦面荧光分离的影响。基于LabVIEW编写了系统的成像控制软件。本文进一步描述了带孔反射镜的调试方法,测试了双焦面双光子成像的分辨率,分析了两个焦面成像的信号串扰问题,并通过使两束激发光在横向错位的方法减小通道之间的串扰。测试样本和脑片的成像实验表明,本系统能够实现双焦面同时激发和探测,同步获得两个不同层面的双光子荧光图像。

关键词：荧光成像双光子荧光显微成像共聚焦双焦面

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基于自由曲面的头盔显示器设计

基于自由曲面的头盔显示器设计

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作者：孙路通中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

头盔显示器技术源于20世纪初的军事需求,随着科学技术的不断发展逐渐演变为是一种集成光学、信号处理、计算机科学及精密机械等现代科学的全新显示技术,作为生活和工作的一种补充已经在教育培训、医疗保健和休闲娱乐等领域得到广泛应用... 详细信息

头盔显示器技术源于20世纪初的军事需求,随着科学技术的不断发展逐渐演变为是一种集成光学、信号处理、计算机科学及精密机械等现代科学的全新显示技术,作为生活和工作的一种补充已经在教育培训、医疗保健和休闲娱乐等领域得到广泛应用,并且在其余领域的需求仍在日益增加。本文在此背景下开展研究工作,完成了多款头盔显示器光学系统设计,并提出一种基于自由曲面的新结构形式的双焦面头盔显示器光学系统设计方案。文章首先在大量文献调研基础上,研究了国内外头盔显示器在军、民两领域和自由曲面发展应用的情况,展望了发展趋势并表述了课题的背景与意义。随后分析了离轴光学系统中的矢量像差与其分布特性并结合人眼特性与不同应用需求,对头盔显示器光学系统视场、出瞳和畸变等性能参数进行了分析。随后结合参数分析与应用需求进行了以下头盔显示器光学系统的设计工作:(1)分别设计了自由曲面棱镜结构和离轴合成器结构两种不同结构形式的头盔显示器光学系统。对XY多项式和Zernike多项式进行了详细研究,并在进行离轴合成器结构系统设计时,分别使用非球面和自由曲面表征的结合器面型设计了两个光学系统进行对比。其中以自由曲面为表征光学面的系统MTF得到了较大提升,且畸变和RMS光斑半径也均得到有效控制。(2)提出并设计出一种基于自由曲面的可以实现头盔显示器双焦面显示的结构。设计采用棱镜为主体,采用一个非球面和两个自由曲面的设计结构,其中又有一个自由曲面采用两个不同表征函数共同组成的多面共体结构,极大的增加了设计的自由度。设计实例显示,这款双焦面头盔显示器光学系统拥有17°×16°的视场角,出瞳直径8mm,出瞳距18.25mm,使用波段486～656nm,焦距分别为95.2mm和35.2mm。这种结构采用单个图像生成单元、单个棱镜和两片反射镜,解决了传统方式上多焦面头盔显示器设计结构复杂,体积庞大的问题。(3)文章最后对三种结构设计方案进行了综合性能比较,总结了每种结构的优缺点,并对双焦面头盔显示器光学系统进行了加工和装配的公差分析,结果证明了该设计方案的可行性与正确性。

关键词：头盔显示器自由曲面光学设计双焦面

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车载多焦面抬头显示系统的设计与制造技术研究

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作者：孔祥旭长春理工大学

学位级别：硕士

伴随着汽车朝着更高智能化、网联化的方向发展,智能座舱也随之进入发展快车道,而增强现实型抬头显示器(Augmented Reality Head-Up Display,AR-HUD)则是智能座舱中高效的人机交互窗口。它产生的虚像信息与真实路面进行实时叠加,帮助驾... 详细信息

伴随着汽车朝着更高智能化、网联化的方向发展,智能座舱也随之进入发展快车道,而增强现实型抬头显示器(Augmented Reality Head-Up Display,AR-HUD)则是智能座舱中高效的人机交互窗口。它产生的虚像信息与真实路面进行实时叠加,帮助驾驶员在开车的过程中不低头就可以看到重要信息,缩短了驾驶员的盲区时间。增强现实型抬头显示器提供比传统抬头显示器更加丰富的显示内容,但也同时在设计参数上提出了更高要求。根据行车安全性与人眼视觉特性分析,AR-HUD需要同时显示多个不同深度的虚像来呈现基础信息与交互信息。为了使AR交互信息在抬头显示器上达到理想的显示效果,本文主要开展了多焦面车载AR-HUD光学系统设计,以及自由曲面制造技术方面的研究工作。具体研究内容如下:首先,在大量文献调研的基础上,阐述了国内外车载抬头显示器发展的历史与现状,展望了增强现实技术与抬头显示器结合为驾驶体验带来的改变。随后以几何光学的角度分析了车载抬头显示器的成像原理,研究了离轴光学系统像差理论与自由曲面表达方式,讨论了车载抬头显示器的重影现象与消除方法,对抬头显示的设计流程与方法展开了详细的研究。然后,根据光学原理与人眼视觉特性,系统地分析了车载AR-HUD光学系统的参数性能要求,并进行了增强现实型抬头显示器的设计工作。首先设计了一种单焦面AR-HUD光学系统,借助Zemax Opti Studio对光路进行了建模优化,并对系统成像质量进行分析。随后研究并设计出一种基于自由曲面的双焦面抬头显示器光学系统,设计采用离轴反射式结构,使用两块像源(Picture Generation Unit,PGU)、一块自由曲面镜与一块平面镜的设计结构,对自由曲面反射镜采用双光路单自由曲面分区域的划分使用,实现了共同复用一块反射镜,增加了设计的自由度。设计实例表明,该双焦面抬头显示器系统拥有视野盒为130mm×50mm,视场角分别为5°×1°和10°×5°,虚像距离分别为2.5m和7.5m。满足了近场基础信息与远场交互信息同时显示的需求,景深的显示效果也同样得到了增强。最后,研究了常见自由曲面加工方法、自由曲面面型和粗糙度检测的方法,对文中设计的抬头显示器的公差容错进行了初步分析,结果证明了该设计方案的正确性与可行性。随后对设计中的自由曲面反射镜进行加工,阐述了制造的设计与加工流程,完成了对加工样件的面型检测。

关键词：光学设计抬头显示器增强现实自由曲面双焦面

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