头盔显示器的沉浸感优于显示器件的虚拟现实观察效果(2)

3.由于偏心率引起的图像变形：偏心率将导致非常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，光将变成圆柱体严重倾斜。此时，如果光学表面偏心，则会发生严重的错误。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，从而无法评估像差。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表面，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，以便可以进行像差评估。偏心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，在设计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，如果光路偏心，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，这种结构可以大大减小每个表面的放大率。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，这些表面彼此保持一定距离，因此可以大大减小每个光学表面的放大率。由折叠的自由曲面棱镜形成的内部反射镜光学器件在偏心时可以通过光路，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。如果折叠表面是对称的，则仅考虑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。如果对称平面是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。折叠近轴体积一般来说，从对象中心发出的光线会穿过中心并与像平面相交。

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。如上所述，折叠像差校正无法获得近轴量，因此根据该公式，将像高用作校正目标，然后根据焦距进行计算。 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。位设计与X和Y方向相似，此外，Y轴也具有正和负自由度，并且Y像高的正负都必须作为校正目标。 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。以该表面为起点，确定每个表面的位置。

在这里，入射光瞳平面被用作起始原点，以定义每个表面的偏心率。主要参考量是，如果偏心率是由整数定义的，则一旦任何一个表面移动，其他表面都会受到影响，从而使光的通过更加困难。然后确定第三张脸2、，并使第四张脸与第二张脸相同的位置。然后输入第6面，即成为图像的第5面。一旦确定了面部，就需要调整每个面部的倾斜角度，以使同轴光能够顺利通过。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都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即可。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定义轴附近时，表面的下限是次要的，因此自动校正更为有利，并且将变得难以发生崩溃时会自动更正。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。二阶项C20和C22等效于旋转对称系统中的R曲率。由于X和Y方向是独立的，因此在校正过程中需要分别设置像高限制条件。这时，首先给第三表面C20和C22适当的二次系数，使其可以在像面附近成像，然后根据光路的XZ，YZ部分手动输入适当的值。

诞生了在像平面附近成像的光学设计。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）。在工作之后，对该项目进行了3次修订。如上所述，C31是梯形偏斜（失真），并且C33对偏斜校正具有相当大的影响，该偏斜校正在Y轴的上侧和下侧之间具有较大的差异。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，并且在适当的时间将误差作为变量项和校正目标进行校正是重要的过程。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，角度（A）至（K）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维表面的配置结构的能力是全息HMD成功的根本原因。当如上所述设计偏心的自由形式表面棱镜时，折叠偏心光学器件的像差是最重要的问题。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，高像素和高灰度液晶显示器（LCD）的单价非常昂贵。因此，日本奥林巴斯使用OSR组件使18万像素的LCD产生相当于720,000像素的图像质量效果和500线或更多的水平分辨率。 OSR由偏振控制元件（液晶单元）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从原始图像信号中采样与每个偏移相对应的图像信号，然后将其显示在HMD的自由形式的棱镜上。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，光会移入4个通道。

OSR控件是使用偏移像素的位置对原始图像信号进行采样，然后以1/120秒的速度驱动LCD，然后同步像素偏移位置以显示图像。 OSR元件用于按4 /顺序使每个像素发光。120秒（= 1/30秒：视频信号的结构单位）的速度为一个周期。之后，在监视LCD实时性的同时，它以两倍的速度驱动LCD，同时与LCD驱动器状态一起控制OSR元件。尽管LCD偏移光的量（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的加工精度。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，预计在将来，对诸如HMD之类的HMD的需求将不断增长，这些HMD可以通过光学系统将小型LCD显示设备的图像变成全息大屏幕。此外，自由曲面棱镜的设计和量产技术将更加完善。除光学技术外，纳米级（纳米）超精密加工技术也将在本世纪初成为热门话题。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/tongxinshuyu/article-362478-2.html