穿透式視頻眼鏡設(shè)計(jì)

圖 1 為穿透式顯示光學(xué)原理圖，圖像源的信息經(jīng)中繼光學(xué)系統(tǒng)放大后投射在半透半反組合鏡上反射進(jìn)入人眼，同時(shí)前方外部景象也可以透過組合鏡進(jìn)入人眼，即人眼通過組合鏡可以同時(shí)看到圖像源和外部景象信息。它是一種半浸入式顯示，信息是雙通道的，也被稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示。

光學(xué)系統(tǒng)存在兩種結(jié)構(gòu)：pupil forming 式和 non-pupil forming 式，如圖 2 所示。Pupil forming 式光學(xué)系統(tǒng)由三部分組成：中繼光學(xué)系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)和光學(xué)組合器。圖像源發(fā)出的光線經(jīng)過中繼透鏡組在目鏡系統(tǒng)的焦平面上成像，中間像經(jīng)目鏡系統(tǒng)的準(zhǔn)直放大后變?yōu)楦鱾€(gè)視場(chǎng)的平行光，這些平行光由光學(xué)組合器反射進(jìn)入人眼。圖像源發(fā)出的光線經(jīng)過中繼透鏡組，可以減小光學(xué)系統(tǒng)口徑；場(chǎng)鏡的作用是減小邊緣視場(chǎng)主光線在目鏡上的投射高度，這樣有利于增大視頻眼鏡的視場(chǎng)。 Non- pupil forming 式 光 學(xué) 系 統(tǒng) 與 pupilforming 式相比減少了中繼光學(xué)系統(tǒng)，因而結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊、重量更加輕，但也存在大視場(chǎng)條件下像差校正困難的不足。

微顯示器是圖像源信息的直接輸出器件，它的規(guī)格參數(shù)直接影響著光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。微型顯示器尺寸受到光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)、出瞳距離、出瞳直徑、焦距等參數(shù)的制約[9]。大尺寸的微顯示器可以獲得大的視場(chǎng)，但是尺寸過大會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)尺寸和重量增加，而且大視場(chǎng)像差矯正難度加大，設(shè)計(jì)的是一種穿透式視頻眼鏡顯示器，其目的是在不影響使用者觀察外部景象的情況下，能讓使用者獲得一些想要的信息，例如GPS位置信息、短信、電話等，設(shè)計(jì)中最重要的目標(biāo)是使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，因此本設(shè)計(jì)選擇小尺寸顯示器。硅基液晶(LCOS)在單一微型顯示器上提供高品質(zhì)全彩顯示，且尺寸小、分辨率高、亮度高，但是 LCOS 是工作在反射模式下，因此需要額外的照明系統(tǒng)。有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)作為自發(fā)光器件可以省去照明系統(tǒng)，但是目前小尺寸 OLED 的分辨率低、亮度低，而且價(jià)格昂貴，現(xiàn)階段還不適合穿透式視頻眼鏡顯示器應(yīng)用。因此本設(shè)計(jì)選擇 Himax公司生產(chǎn)的 0.29”CS-LCOS作為視頻眼鏡微顯示器，其分辨率為 852 pixel×640 pixel，像素大小為 7.5 mm。

 

穿透式視頻眼鏡是雙通道的，使用者通過它能夠同時(shí)看到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬圖像和外界景象，因而不易產(chǎn)生眩暈，在這類光學(xué)雙通道微顯示器中，需要將圖像源傳來的虛擬圖像信息與外界景象的信息相融合，這部分任務(wù)由光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊、小型化的穿透式視頻眼鏡，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能很好地滿足它的需求，需要探索新的設(shè)計(jì)方法。目前，實(shí)現(xiàn)穿透式顯示的光學(xué)組合器主要包括：45°半透半反鏡波導(dǎo)，回射屏技術(shù)，離軸合成器，自由曲面棱鏡，全息波導(dǎo)等，但它們存在很多不足。