小型2维显示器的影像光学系统设计的发展技术进展(2)

偏心率的最大优点是可以使光学结构非常简单和小巧。为了使传统光学器件最小化，除了缩短系统的长度或孔径之外，没有其他方法。但是，对于旋转对称光学器件，其光轴变为一条直线。如果将其更改为偏心光学元件，则可以大大减小体积。由于同轴光的长度和光学系统的大小不再相互作用，因此，从理论上讲，可以轻松实现小型化。例如，当设计3元件透镜时，传统的旋转对称光学器件除了减小3元件透镜的长度以外，没有其他方法可以使光学系统小型化。但是，如果是偏心光学元件，则可以折叠光路。可以将三个透镜的每个表面设计为在相当大的程度上分开，并且每个表面不会相互干扰。同时，由于这种结构，每个表面的放大率可以大大降低。偏心棱镜故意使光学表面偏离光轴（缩写为偏轴）。倾斜结构可以折叠光路而没有任何衰减。另外，每个表面彼此之间保持一定距离，因此可以大大减小每个光学表面的放大率。

自由曲面

由棱镜形成的内部反射镜光学元件在偏心时可以取出光路，从而形成低像差的光学系统。然而，如果偏心率太大而不会引起大的偏心像差，则不能形成旋转对称平面的偏心光学器件。此时，必须尝试改变表面的形状以形成所谓的自由曲面，并通过该自由曲面校正偏心像差。尽管它是自由形式的表面，但无法跟踪任何形状的光。另外，自由曲面是由数控加工机制成的，因此会聚点矩阵数据的计算非常耗时。尽管它对于键控非常有益，但基本上需要基于光学像差进行设计。方便是原则，最简单的数学模式采用级数展开XY方法。

表面对称性

如果仅考虑Y-Z平面中的偏心率，则Y轴的正和负方向都是较大的偏心率。 X-Z轴的正负方向是相同的形状。换句话说，Y-Z平面必须是对称平面的平面对称。如果对称平面为Y-Z平面，则X轴方向不需要非对称，因此自由曲面系数的X不需要奇数项。

近轴体积

通常来说，会有一条从物体中心发出并穿过中心并与像平面相交的光线。在旋转对称光学系统中，此光成为光轴。但是，由于偏心光学元件的光线呈锯齿状前进，因此上述光线难以成为光轴。为了操作方便，该光统称为轴上的主光。关于每个表面的定义坐标与轴上的主射线之间的关系，轴上的主射线不限于穿过每个表面的定义坐标的中心。因此，即使获得接近定义坐标原点的曲率，也需要相应地定义坐标。所获得的近轴量实际上没有意义。另外，当前的光学设计软件不容易执行近轴计算。换句话说，即使将近轴计算所需的焦距，放大率F和像面数据输入到计算机中，也无法完成设计。主要原因是必须在设计之前获取诸如入瞳直径或物体侧面之类的基本数据。同样，如果无法计算焦距，则无法计算像高。如果无法直接校正焦距，则必须将像高用作像差校正的校正目标。

像差校正

如上所述，由于不能获得近轴量，因此将像高用作校正对象，并根据该公式计算焦距。 h =ftanθ（7） h：像高； f：焦距；θ：视角；由于X和Y方向具有各自的自由度，因此必须将每个像高用作校正对象。这类似此外，Y轴还具有正和负的自由度，并且Y像高的正负都必须作为校正对象。 HMD是具有三面结构的偏心光路：第一个表面：首先确定观察者的入射瞳孔使用该表面作为起点来确定每个表面的位置，此处将使用入射瞳孔表面作为定义每个表面偏心率的起始原点，主要参考值是如果偏心率是由整数定义的，则一旦任何一个表面移动，它也会影响其他表面，因此光线更难于通过，然后确定2、第三使第4面和第2面位于同一位置。然后输入第5个表面Surface的第6个图像表面。一旦确定了表面，就需要调整每个表面的倾斜角度，以使同轴光可以顺利通过。此时，为了使轴上的主光线接触每个曲面的定义坐标的起始原点，曲面的位置必须是偏心的。由于第四表面和第二表面均使用第四表面作为反射表面，因此仅需要匹配第四表面的原点。原因是第四表面是反射表面，并且第四表面的放大率大于第二表面的放大率。 此外，使同轴光匹配的原因是，当同轴光通过表面的限定轴附近时，对于表面的低阶和自动校正更有利，并且将变得困难。在不幸的崩溃事件中自动更正它。

完成上述操作后，将校正以下两项，并指定区域放大率的初始值。次要项C20和C22对应于旋转对称系统中的R曲率。由于X和Y方向是独立的，因此校正时需要分别设置像高限制条件。这时，首先将适当的二次系数分配给第三表面C20和C22，以便可以将其成像在像面附近，然后根据光路的XZ，YZ部分手动输入适当的值。图像平面附近成像的光学设计诞生了。然后进行自动校正，首先输入限制条件，该条件允许主射线（A）在第3到第6平面轴上的Y轴坐标穿过平面的定义坐标原点，然后输入限制条件将焦距校正为与近轴量相等的两个角度（B）和（F）。在工作的第三版之后，进行了更正。如上所述，C31是梯形偏斜（失真），而C33对偏斜校正的影响很大，与Y轴的顶部和底部截然不同。使用每个系数的表面校正和使用其形状的误差校正彼此相关，并且作为可变项的误差校正和校正的对象在适当的时候是重要的过程。最后，还添加了角点（C），（E）和（F），成为校正目标。四阶校正等效于X方向的高阶偏斜。在这种情况下，（A）至（K）的角度都是校正目标。应该注意的是，在校正过程中，每个表面上都不得有干涉，并且考虑限制条件，例如全反射表面不低于临界角，也非常重要，尤其是X-Z截面的表面干涉。总体而言，设计人员完全掌握3维表面构型的能力是全息HMD成功的根本原因。

偏心光学像差

如上所述，在设计偏心自由曲面棱镜时，如何减少偏心量是最重要的问题。换句话说，对于自由形式的表面，减少低偏心率的数量可以减少误差的数量。然而，实际的设计需要考虑如何从光路中获取光，或者如何将光注入棱镜，因此偏心成为必要的手段。在此矛盾的前提下，偏心率较小的表面将被放大。否则，请避免成为偏心自由曲面光学设计的基本原理。

技术发展

光学分辨率（OSR）HMD的主要应用是通过自由形式的表面棱镜将小型显示器的图像转换成类似大屏幕的视觉效果。已知视觉图像的分辨率和颜色取决于显示设备的像素和灰度级。但是，目前小型，高像素，高灰度液晶显示器（LCD）的单价非常昂贵。因此，日本奥林巴斯使用OSR组件生产18万像素的LCD，以产生相当于720,000像素和500线或更高水平分辨率的图像质量效果。 OSR由偏振控制元件（液晶盒）和双折射板组成。 OSR元件取代了LCD黑色矩阵上的像素所产生的光。尽管从理论上讲，这是一种可以将光学图像质量提高4倍的技术，但实际上，仅通过移动光而生成的4像素技术将引起图像模糊效果。因此，OSR对与原始图像信号的每个偏移相对应的图像信号进行采样，然后将其显示在HMD的自由曲面棱镜上。也就是说，每个移位的像素可以正确地显示在适当的位置，并且实际像素同时增加了4倍。图像模糊不会有问题。 OSR元件放置在LCD和自由曲面棱镜之间。 OSR由2个偏振控制元件和3个双折射板组成。当对两个偏振控制元件施加电压ON / OFF时，光将移入4个通道。 OSR控制是对具有移位像素位置的原始图像信号进行采样，然后以1/120秒的速度驱动LCD，然后同步像素移位位置以显示图像。使用OSR元素以4/120秒（= 1/30秒：视频信号的结构单位）顺序使每个像素发光。速度为一个周期。此后，在监视LCD的实时性的同时，以两倍的速度驱动LCD，并结合LCD的驱动状态来控制OSR元件。尽管LCD位移光量（距离）取决于OSR元件的双折射板的厚度，但LCD像素尺寸仅为10μm，像素之间的黑矩阵为14μm，因此双折射板的厚度必须具有微米级处理精度。厚度为2. 9mm的OSR元件可以用高折射晶体材料制成。

随着虚拟现实电子显示系统的普及和应用，可以预见的是，未来对通过光学系统将小型LCD显示设备变成全息大屏幕的HMD的需求将会增加。 In addition, the design and mass production technology of free-form surface prisms will become more complete. In addition to optical technology, nano-level (nano) ultra-precision machining technology will also become a hot topic at the beginning of this century.

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