頭戴顯示器是一種佩戴在頭上的 ，類似于眼鏡的一種小型顯示裝置，其光學(xué)系統(tǒng)可以將微型顯示裝置輸出的圖像經(jīng)過(guò)處理進(jìn)行放大并成像在佩戴者人眼上，它的主要組成是：微型圖像源，光學(xué)元件和結(jié)構(gòu)固定件。它是VR，AR和MR的關(guān)鍵設(shè)備和載體。在醫(yī)療，航天，教育，工業(yè)生產(chǎn)，娛樂(lè)等領(lǐng)域中具有至關(guān)重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

用于頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于其他光學(xué)系統(tǒng)有一些特別之處。它需要佩戴在人眼上，圖像信息通過(guò)系統(tǒng)最終傳輸進(jìn)入人眼，所以對(duì)系統(tǒng)的體積、重量、成像質(zhì)量的要求較為嚴(yán)格。且不同的頭戴顯示器所運(yùn)用的領(lǐng)域不同，導(dǎo)致其最終結(jié)構(gòu)型式也可能完全不同。

所以在設(shè)計(jì)頭戴顯示器目視光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮眾多因素，除了上面所敘述的一些基本像差和結(jié)構(gòu)型式外，還必須要考慮很多其他因素。如：出瞳直徑、出瞳距離、瞳距、視場(chǎng)角、畸變、調(diào)制傳遞函數(shù) MTF、雙目像差等。今天對(duì)這些設(shè)計(jì)參數(shù)為大家進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1，出瞳直徑

出瞳直徑是光線經(jīng)過(guò)目鏡匯聚后，在出瞳位置形成并投射到瞳孔上的光斑的直徑。

2，出瞳距離

出瞳距離指的是光學(xué)系統(tǒng)的最后一個(gè)面與出瞳位置的距離，在 VR、 AR光學(xué)系統(tǒng)中，出瞳位置一般指的是人眼瞳孔的位置。使用者在使用時(shí)應(yīng)把眼睛對(duì)準(zhǔn)出瞳位置，否則可能會(huì)出現(xiàn)因視場(chǎng)丟失導(dǎo)致觀察的圖像不完全的現(xiàn)象。所以在設(shè)計(jì)這類光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)置足夠長(zhǎng)的出瞳距離。

3，視場(chǎng)角

視場(chǎng)角指的是人眼在觀察顯示器圖像時(shí)的張角，在設(shè)計(jì)頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，視場(chǎng)角設(shè)計(jì)的越大，沉浸的體驗(yàn)感就越強(qiáng)烈，但是越大的視場(chǎng)角也會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。

4，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF

在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。通過(guò) MTF可以相對(duì)準(zhǔn)確、全面、定量地判斷光學(xué)系統(tǒng)因衍射和像差影響的成像質(zhì)量的變化，它采用像平面對(duì)比度和物平面對(duì)比度的比值來(lái)描述光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，MTF是設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要參考標(biāo)準(zhǔn)，不同的光學(xué)系統(tǒng)在不同的要求下的MTF的設(shè)計(jì)指標(biāo)都是不同的，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)不同的情況綜合考慮并確定MTF值。

5，雙目瞳距

雙目瞳距指的是人眼的兩個(gè)瞳孔中心的水平距離，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮在頭戴顯示器中左右兩個(gè)系統(tǒng)的出瞳距離是否與人眼瞳距相吻合的問(wèn)題。當(dāng)使用者的雙眼距離與光學(xué)系統(tǒng)瞳距不匹配時(shí)，可能會(huì)存在一部分光線因?yàn)楸徽趽醵鵁o(wú)法進(jìn)入人眼，導(dǎo)致視場(chǎng)丟失，這會(huì)對(duì)使用者的體驗(yàn)帶來(lái)很大困擾。

6，雙目合像視差

頭戴顯示器中有一部分雙目系統(tǒng)是通過(guò)結(jié)構(gòu)件把左右兩個(gè)單目系統(tǒng)連接起來(lái)，所以使用者在佩戴頭戴顯示器時(shí)，實(shí)際上是左右眼各觀察一個(gè)圖像。為了符合人眼生理特性，兩個(gè)單目系統(tǒng)的圖像需要在垂直和旋轉(zhuǎn)方向重合，在水平方向部分重合。當(dāng)雙目圖像不完全重合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“雙目競(jìng)爭(zhēng)”現(xiàn)象，影響使用者的佩戴體驗(yàn)，嚴(yán)重的可能會(huì)引起使用者產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象 。雙目圖像的偏差被稱為雙目合像視差，偏差越大，“雙目競(jìng)爭(zhēng)”程度越明顯。另外，雙目視差理論也常被用于測(cè)量距離，廣泛運(yùn)用于航天、機(jī)器人等領(lǐng)域。

審核編輯：湯梓紅