消防头盔近眼显示系统光学设计

魏辰刚1，2， 史浩东1， 孙洪宇1， 杨帅3， 李冠霖1， 江晟1， 李英超1 （1长春理工大学吉林省空间光电技术重点实验室；2长春理工大学光电工程学院；3长春师范大学计算机科学与技术学院）

摘要：将头戴显示设备应用于消防领域，有利于消防人员更好地获取周边环境信息，解放双手，方便作业。为此，将自由曲面棱镜与消防面罩集成设计，设计出一种面向消防应用场景的头盔显示光学系统。设计结果表明，该系统在450~680 nm可见光波段内可实现39°×22°的视场角，适配0.71 inch（1 inch=2.54 cm）、分辨率为1980×1080 的有机发光二极管微显示器，具备8 mm 的出瞳直径与18 mm 的出瞳距离，满足现役消防面罩内佩戴需求。此外，分析了面罩外表面在260 ℃高温火场下的面型变化，以及面罩内近眼显示光学系统在20~60 ℃温度范围内的成像质量，还将面罩面型的受热变化拟合成离轴自由曲面，并将其引入光学设计优化过程，从而提升了系统在高温环境下的光学稳定性。结果表明，在较宽的温度范围内，近眼显示系统在奈奎斯特频率处的调制传递函数优于0.25，图像畸变为8.97%，集成面罩的透射通道畸变为2%。该研究为增强现实显示在消防专业领域中的应用提供了有效的设计与优化思路。

关键词：近眼显示；消防领域；自由曲面棱镜；光学设计