機載シナリオでのアプリケーション要件を満たすため、高性能ヘルメットディスプレイシステムにおいて、大視野角、大出瞳径、軽量構造の設計矛盾に対応するために、側傾斜投影構造を採用し、流線型マスクを有する自由曲面折反射光学システムを設計した。まず、逆追跡光線設計方式と段階的漸進的最適化戦略を採用し、中継レンズ群と自由曲面の面形状を最適化して、像面湾曲、歪み、および収差を補正した。次に、中継レンズ群のレンズ枚数を5枚に削減し、同軸に配置することで、システムの構造および組立の複雑さを低減した。設計された光学システムは対角視野50°、出瞳径11 mm、出瞳距離40 mmで、各視野のMTFは30 lp/mmにおいて0.46以上を示し、単眼光学機器の重量はわずか84.5 gである。公差解析により通常加工精度下で全視野MTFおよび歪み制御が低感度であり、設計の工学的実現性が確認された。試作機実験結果は、本システムの透過および投影光路が鮮明な画像を提供し、コンパクトで組立調整が容易な機載ヘルメットディスプレイシステムに対して高い安定性のあるソリューションを提供することを示した。

光学設計;自由曲面;ヘルメットディスプレイ光学系;折反射システム;大出瞳径