기내 환경 응용 요구를 충족하기 위해, 광범위한 시야, 큰 출구 동공 직경 및 경량 구조 간의 설계 모순을 해결하기 위해 측면 경사 투영 구조를 선택하고 유선형 마스크를 가진 자유곡면 굴절-반사 광학 시스템을 설계하였다. 먼저 역방향 광선 추적 방법과 단계적 점진적 최적화 전략을 채택하여 중계 렌즈 그룹과 자유곡면 형태를 최적화하여 산란, 왜곡 및 수차를 보정하였다. 이후 중계 렌즈 개수를 5개로 축소하고 동축 배열하여 시스템 구조 및 조립 복잡도를 낮추었다. 설계된 광학 시스템은 대각 시야각 50°, 출구 동공 직경 11 mm, 출구 동공 거리 40 mm, 모든 시야각에서 30 lp/mm에서 MTF가 0.46 이상이며 단안 광학 장치 무게는 84.5 g에 불과하다. 공차 분석 결과, 일반 가공 정밀도 하에서 전 시야 영역 MTF 및 왜곡 제어가 낮은 민감도를 보여 설계의 공학적 실현 가능성을 입증하였다. 시제품 실험 결과, 시스템의 투과 및 투영 광로는 선명한 영상을 제공하여 컴팩트하고 조립 및 조정이 용이한 기내 헬멧 디스플레이 시스템에 안정적인 해결책을 제공한다.

광학 설계; 자유곡면; 헬멧 디스플레이 광학 시스템; 굴절/반사 시스템; 대형 출구 동공 직경