小型2维显示器的影像光学系统设计的发展技术进展

简介

头戴式显示器（HMD）的原理是通过光学系统放大小型二维显示器产生的图像。具体地，小显示器发出的光穿过凸透镜，从而由于折射而使图像产生远距离效果。使用此效果可以放大附近的物体，以便远距离观看，以实现所谓的全息图。液晶显示器的图像（早期使用的是小型阴极射线管，最近使用的是有机电致发光显示装置）通过偏心的自由曲面透镜来使图像看起来像大屏幕。由于偏心自由曲面透镜是倾斜的凹透镜，因此它不仅是光学镜中的透镜功能，而且基本上已经成为自由曲面棱镜。当生成的图像进入偏心自由曲面棱镜表面时，它会被全反射到与观察者眼睛相对的凹面镜表面。侧面凹面镜涂有镜面涂​​层，反射光被放大并反射到偏心的自由曲面棱镜表面，并校正了该表面的倾斜度，从而达到了观看者的眼睛。

设计

头盔显示器的光学技术设计和制造技术越来越完善。它不仅用作个人应用程序显示器，还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础。小型LCD显示装置的图像可以通过光学系统制成全息大图像。屏幕。除了被广泛用于现代先进的军事电子技术中作为个人战斗系统的必要设备的环境完全分开。 1984年，迈克尔·麦格里维（Michael McGreevy）在美国宇航局埃姆斯（NASA Ames）制造了廉价的三维HMD。 1985年，斯科特·费舍尔（Scott Fisher）继续在美国国家航空航天局（NASA）进行三维HMD项目的开发，创建了头盔式显示系统，该系统具有由操作员的位置，声音和手势控制的广角三维显示。同时，VPL研究团队开发了一种数据手套，可用于测量每个手指关节的弯曲程度。 1986年底，NASA研究团队整合了VR 3D环境。用户可以抓住一个虚拟对象并用手操作它，并使用手势与系统进行通信。

1994

加拿大阿尔伯特大学的M. Green教授重新启动了这一方向的研究，并受到了各个方面的极大关注。现在，威斯康星大学麦迪逊分校，华盛顿州立大学，杨百翰大学，布法罗市纽约市立大学，克莱门森大学都已开始朝这个方向进行研究。

威斯康星大学麦迪逊分校的初步研究表明，在VR环境中使用3D交互式技术进行设计工作将使设计效率提高10到30倍。虚拟现实的应用也大大提高了难驾驶技术的训练效率，已成为必不可少的手段。

军事头盔展示

1968年，由美国ARPA信息处理技术办公室主任伊万·萨瑟兰德（Ivan Sutherland）开发的世界上第一个头盔显示器是“达摩克之剑”头盔显示器。军用头盔显示器。在新世纪，“理想的个人作战武器平台系统”的未来发展尤其引人注目。新概念，新原则，新结构，新功能和新流程是相辅相成的。夜视技术，激光技术，计算机技术，光学技术和新材料技术的广泛应用导致传统士兵作战部队的概念有了质的飞跃。用于终端显示和输出的头盔显示器的状态变得越来越重要，它是必不可少的重要组件之一。最初，它主要配备战斗机和坦克驾驶员，但将来，士兵相当于战斗平台，而单个武器战斗平台就是“士兵战斗系统”。今天，世界上一些发达国家正在密集地制定和组织实施“士兵战斗系统”发展计划。结果，适应各自国情的个人作战武器系统平台如雨后春笋般出现。当前的头盔系统已成为士兵的“拍摄“转向”。他们可以在不暴露自己的情况下准确地攻击目标。目前，美国，英国，法国等国的综合头盔已经取得了重大突破，从而使单个武器作战平台能够发挥更大的威力。

民用头盔展示架

头盔显示器在虚拟技术应用系统中的位置非常重要。统计数据显示，普通人从外部世界获得的信息中有80％来自视觉。如何实时生成，复杂的虚拟环境仍然是当前的虚拟现实（虚拟现实（VR）是研究中迫切需要解决的问题。虚拟现实的三个指标：实时性，沉浸性和沉浸性。所谓的“实时性能”是指虚拟现实系统可以根据用户当前的视点位置和视线方向实时更改呈现在用户面前的虚拟环境图片，并产生根据当前情况，在用户的耳朵和手部产生时间的视听和触觉感觉力响应所谓的“沉浸式”是指用户感知的虚拟环境是三维和三维的，并且感知到的信息是所谓的“交互性”是指用户可以按照他们在现实生活中习惯的方式在伪场景中操纵对象，并更改其方向位置，属性或当前运动状态。

根据硬件组成，现有的虚拟现实系统可以分为三类：头盔显示器是最早的VR显示器，它使用头盔来密封人们的视线和听觉，并指导用户产生一种虚拟环境。在感觉上。当前的头戴式显示器的分辨率为1024×768，可以为用户提供虚拟场景的清晰图片。根据应用场合，它主要分为两种：投资娱乐和消费者娱乐。前者主要包括用于汽车和飞机的虚拟现实CAD设计系统，该系统已被世界知名制造商广泛采用，我国也在开发此系统。但是，数量是有限的，并且大量的应用程序主要是消费娱乐视听产品。

在2006 CES展览会上，eMagin发布了全球首款支持3D功能的头戴式显示器“ eMagin Z800 3D Visor”。本产品通过分别显示左眼和右眼来“创建”三维图像。 ，由于左右图像是分离的，不会互相影响，并且不需要屏幕遮挡，因此可以创建近乎完美的3D立体视觉效果。该产品的价格为899美元，成熟度很高，如果要说它很短，它仅支持800×600分辨率。

2008年，eMagin将小尺寸OLED面板的分辨率提高到了SXGA级别（1280×102 4），在2008年10月22日至23日在英国伦敦举行的“ Night Vision 2008”上，该产品的物理尺寸为0. 44英寸，亮度为100c d / m2，并且所有指示器都相对较好如果使用此面板，则头戴式显示器可以支持1280×1024的分辨率。当时，这是一个理想的指标，尽管有很多产品，但没有一个产品真正进入了公众视野，除了其自身原因之外，应用需求不足和缺乏配套产品也是主要原因。例如最早出现的具有3D显示功能的eMagin公司不是游戏制造商，这使得产品推广更加困难，用户也难以接受。

2011年底，在头戴式显示器领域很长一段时间的索尼卷土重来。这次，它将HMZ-T1作为重量级产品推出：1280×720分辨率，3D显示功能和Sony PS 3、 Sony。诸如电影行业之类的许多辅助支架将共同为头戴式显示器的应用领域带来一场革命。 HMZ-T1的外观非常前卫。它的核心组件是眼镜式显示系统。尽管此显示系统看起来仅在平方英寸之间，但左眼和右眼显示屏仅是玻璃镜片的刻度，但是当您配戴它时，它可以提供长达20米的视觉成像距离，并且图像尺寸最大为750英寸，提供1280×720的分辨率。最幸福的是，它可以提供极其逼真的，无闪烁的3D显示图片，视觉效果令人震惊，该产品还可以与独家的个人3D IMAX影院相提并论。除了播放3D电影外，HMZ-T1还是适用于游戏的3D监视器。借助Sony PS3游戏机，玩家可以在角落体验真正的3D环绕声的终极体验。

2012年1月，美国的硅微显示器（SMD）发布了真正的1080p全高清3D头戴式显示器ST1080。 ST1080显示器不使用OLED，而是使用两个0. 74英寸LCOS硅基液晶进行成像-此技术广泛用于投影仪中，并且可以以小尺寸分辨率实现超高高度。从硬件的角度来看，ST1080似乎是对Sony HMZ-T1的胜利。它也由眼镜和控制器组成，但是眼镜的重量只有惊人的180克。尺寸紧凑，形状简单。相比之下，索尼HMZ-T1的重量为420克，必须长时间以舒适的姿势佩戴。 ST1080控制器也非常紧凑。它仅重106克。它由USB接口供电。外部电池组可以提供5个小时的连续使用时间，这意味着ST1080可以在移动环境中使用。 ST1080的规格非常强大，分辨率达到了全高清的1920×1080标准，可以为用户提供在3米外观看100英寸图像的视觉效果；此外，其亮度指数达到120cd / m2，对比度达到1200：1。 ，颜色非常华丽。到目前为止，ST1080尚未上市，SMD公司仅在官方网站上预先出售。如果该产品与官方宣称的“完美效果”相同，那么799美元的价格确实具有吸引力。

偏心自由曲面棱镜的设计参数分析

自由曲面镜头在HMD上的应用包括以下关键技术：自由曲面b。偏心C。自由曲面

棱镜

光学表面的放大倍率由表面的曲率确定。曲率越大（曲率半径越小），表面的放大率越强。此功能可用于获得更大的屈光力，但相对像差也会改变。大的。根据以下公式，可以从介质的折射率n和曲率半径R获得折射面的倍率Φ：（Φ=（n- ​​1） / R（1）。由于可以包含多个元素，由于在反射面的光路上并排配置，所以可以使用多个面进行像差校正，但由于光学面由反射面构成，因此光学面的光轴必须为直线。 ，即使表面曲率很小，也能获得相同的放大倍率Φ= 2 / R（2）。表面镜通常用在类似于望远镜的系统中。由于它们没有像差，因此它们的一般孔径非常大。反射面由后视镜形成，变成：

Φ= 2n / R（3）。例如，当折射率为1. 5时，与上述穿透表面公式（1）比较），1/6的曲率可以得到相同的放大倍率。典型的后视镜是A. Mangin于1876年发明的Mangin透镜，除了具有良好的球差校正（不易于产生球面色差）之外，其像差仅出现在前穿透表面上。由于这些因素，内部镜子可以充分发挥无像差的优势，特别是对于长焦距望远镜镜头容易出现像差的情况，可以说是很大的帮助。物体表面位于内镜的前面，这会阻碍光线的传播，在这种情况下，必须提供一个辅助透镜来折回光线，并且内镜必须做成敞开的形状。结构不能有效地解决如何取出光的问题r大视角光学元件。根本问题。

偏心率

如果在旋转对称的光轴光学器件中发生偏心，则会生成单边光晕。无论如何调整镜头的光轴，都无法有效地改善。对于光学器件而言，偏心是最大的禁忌。但是，对于内部反射镜光学来说，这是一种必须用于处理光路折返的技术。主要原因是一旦发生偏心，相对偏心像差就会变大，这将使问题更加棘手。

偏心像差

如上所述，结偏心法是取出光线的最佳方法，但是偏心法具有引起像差增加的副作用。由偏心率引起的偏心像差现象可分为以下四个主要项目：1.非点网格像差。 2. Mischa。 3.它看起来很歪。 4.图像平面倾斜。 1.由于偏心引起的像散：轴对称球差经常发生在旋转对称光学系统的轴上。散光通常发生在偏心光学元件的轴上。在严重的情况下，尽管成像方向相同，但在另一端的远焦点系统中也会出现相同的问题，因此应特别注意设计。 2.由于偏心造成的误解：经常在旋转对称光学系统的轴外发生的误解也出现在偏心的光轴上。 3.由于偏心造成的图像变形：偏心会导致相当明显的梯形和弓形图像变形。 4.图像表面由于偏心而倾斜：图像表面曲率是由反射表面的正放大率引起的，并且在光传播的方向上变成凹曲线，因此当凹表面出现时，光将变为圆柱体严重倾斜。此时，如果光学表面偏心，则会发生严重的误差。

由于上述各种限制，先前的旋转对称轴光学器件的光轴概念不再适用于非旋转对称轴光学器件。如果凹面镜的光学凹面偏离或倾斜，则凹面镜的反射光将严重倾斜，导致成像位置偏离原始像平面，并且无法进行像差评估。假设从物体中心发出并穿过瞳孔中心的光线是轴上的主光线，并且该光线的相邻光线是用于成像的偏心评估面，则偏心光学系统上的近轴图像位置不能成为评估标准。换句话说，正确的方法应该是首先确定评估面，并使表面中心处每个表面的轴上的主光线形成锯齿形十字，以便进行像差评估。

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