[转帖]头盔显示器的应用及技术设计参量简析（续）

2.3 民用头盔显示器

头盔显示器在虚拟技术应用系统中的地位十分重要，统计表明，普通人从外部世界获取信息的80％来自视觉，如何实时地生成大规模复杂虚拟环境的立体画面仍然是当前虚拟现实(virtual reality，简称VR)研究中亟待解决的问题。虚拟现实的三项指标：实时性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所谓实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位置和视线方向，实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面，并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听视和触觉/力觉响应。所谓沉浸性是指用户所感知的虚拟环境是三维的、立体的，其感知的信息是多通道的。所谓交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵拟场景中的物体，并改变其方位、属性或当前的运动状态。

现有的虚拟现实系统按硬件组成可分成三类：头盔式显示器是最早的 VR 显示器，它利用头盔将人的对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。目前的头盔式显示器的分辨率已达到1024×768。.

3．头盔显示器的设计参数简析

3.1 偏心自由曲面棱镜

自由曲面透镜应用于HMD由以下几项关键技术：a.自由曲面；b.偏心；c.自由曲面

3.2 棱镜

光学面的倍率是由面曲率决定 ，曲率愈大（曲率半径愈小）该面的倍率则愈强，利用此特性可得到较大的折射力，然而相对的像差也随之变大。折射面的倍率Φ可由媒质的折射率n，曲率半径R，依下式求得：Φ=（n-1）/R（1）。由于折射面的光路中可并排设置数个元件，因此可利用复数面作像差补正。要注意的是，该光学面的光轴必须是直线状。由于此类光学是由反射面所构成，因此即使很小的面曲率亦可获得同等倍率。Φ=2/R（2）。表面反射镜常用于类似望远镜之系统，由于它不会发生像差，因此一般的口径都很大。若是由背面镜构成反射面则变成： 　Φ=2n/R（3）。例如折射率为1.5时与上述穿透面式（1）比较，1/6的曲率即可获得同等倍率。典型背面反射镜是1876年A.Mangin所发明的Mangin镜，该镜除了具有良好的球面差补正之外（不易发生球面色差），其像差亦只有发生在正面穿透面。由于这些因素使得内面镜可以充份发挥无像差的优点，尤其是对于容易发生像差的长焦距望远镜透镜可说是一大帮助。若将上述透镜应用于成像或近眼透镜，且像面或物面都是在内面镜前方时便会妨碍光线行进。这种情况下必需设置一片副镜片使光线折返，同时还需将内面镜做成开口状。然而即使这种结构对于大画角的光学而言仍无法有效解决如何取出光线之根本问题。

3.3 偏心

回转对称光轴光学中若发生偏心便会产生单边光晕，不论如何调整透镜光轴都无法得到有效改善，对光学而言偏心乃是最大忌讳。然而对内面镜光学而言，它反而是处理光路折返不得不采用的技巧，主要原因是一旦发生偏心，相对的偏心像差会变大，如此一来会使的问题更加棘手。

3.4偏心像差

如上所述结偏心方式乃是取出光线最佳手段，但是偏心却有造成像差变大的副作用。偏心所产生的偏心像差现象可分为下列四大项：1.非点格差。2.迷差。3.像歪。4.像面倾斜。1.因偏心之非点格差：在回转对称光学的轴上常发生轴对称球面像差。在偏心光学的轴上亦经常发生非点格差。严重时虽然会在同一方向成像，在另一端的远焦系也会出现同样的问题因此设计上需格外留意。2.因偏心之迷差：在回转对称光学的轴外常发生的迷收差，在偏心光学轴上亦会出现。3.因偏心之像歪：偏心会造成相当明显的梯形、弓形像歪。4.因偏心之像面倾斜：像面弯曲乃是反射面具有正倍率所造成，对光线行进方向而言则变成凹面弯曲状，因此光线会随著凹面弯曲倾斜严重时成为圆柱状，此时光学面若有偏心便会发生严重的收差。

由于上述各种限制使得以往的回转对称轴光学的光轴概念不再适用于非回转对称轴光学。若凹面镜的光学凹面有偏离、倾斜时，凹面镜的反射光会严重倾斜，使的成像位置偏离原来的像面，无法作像差评估。设若从物体中心发出并通过瞳孔中心的光线为轴上主光线 ，并且以此光线的邻近光为成像时的偏心评估面时，偏心光学上近轴像位置便无法成为评估基准。换言之，正确方法应该是先决定评估面 ，并令该面的中心上各面的轴上主光线形成曲折交叉状，如此才能作像差评估。因此理论上可轻易达成微型化。例如设计3片组镜头，传统的回转对称光学除了将3片透镜长度缩小之外没有其它方法可使光学系统微型化。

3.5自由曲面

棱镜所构成的内面镜光学可取出偏心时的光路，形成低像差光学系统。不过若是偏心过大造成大偏心像差时，便无法构成回转对称面之偏心光学，此时需设法改变面的形状，作成所谓的自由曲面，藉由自由曲面补正偏心像差。虽然是自由曲面但实际上任意形状是无法跟踪光线，此外自由曲面是以NC加工机制作，因此会聚点矩阵数据计算相当费时，虽然它对开键槽很有利但根本上需根据光学像差设计时的方便性为原则，最简易的数学模式采用级数展开XY方式。

3.6面对称

若只考虑Y-Z面内的偏心则Y轴的正负方向为大偏心。有关X-Z轴的正负方向则为同样形状。换言之Y-Z面必需是对称面的面对称。该对称面若是Y-Z平面，则X轴方向便不需非对称，因此自由曲面系数的X不用奇数次项。

3.7近轴量

依此定义座标所求得之近轴量实际上毫无意义。此外目前的光学设计软体不易作有关近轴计算。换言之，即使将焦距、倍率 F 、像侧计算近轴所需之资料输入电脑亦无法完成设计。主要原因是设计前必需先获得入射瞳径或物体侧等基础资料。

3.8像差补正

如上所述由于无法求得近轴量，因此依式以像高作为补正对象再配合焦距计算。h=ftanθ （7）h：像高；f：焦距；θ：画角；由于X、Y方向各具自由度，因此需以各别像高作为补正对象。这有点类似X、Y方向两状态之设计。此外Y轴亦具正负自由度，Y像高的正负都需成为补正对象。面的布置 假设HMD为3面结构之偏心光路。第1面：首先决定观视者入射瞳的位置，以此面为起始原点再决定各面位置。此处会以入射瞳面作为起始原点定义各面的偏心量，主要参考量是若以积分定义偏心量 ，一旦移动其中任一面便会连带牵动其它面，如此一来要使光线通过更加不易。接著决定第2、3面，并使第4面与第2面同位置。之后输入成为第5面之像面之第6面。一旦决定各面后接着需调整各面倾角使轴上光可顺利通过。此时为了使轴上主光线能触及各面定义座标的起始原点，必需让面的位置偏心。由于第4面与第2面都是以第4面为反射面，因此只需配合第4面的原点即可 。其理由是第4面为反射面对光线而言第4面的倍率比第2面大；此外，配合轴上光线的理由是当轴上光线通过面的定义轴附近时，对于面的低项次及自动补正比较有利，而且万一不幸产生崩溃时它会变得不易自动补正。

上下差异极大的歪斜补正具有相当效果。利用各系数之面补正以及利用其形状补正收差两者彼此具有关连，作为变数项及作为补正对象的收差在适当时机补正乃是重要的过程。最后画角(C)、(E)、(F)亦加入变成补正对象补正。4次项补正，相当于X方向高次歪斜。

3.9偏心光学的像差

如上所述设计偏心自由曲面棱镜时如何减少偏心量乃是最重要的课题。换言之对自由曲面而言降低低偏心量就能减少收差发生量。然而实际设计却需考虑如何将光线由光路中取，或是如何将光线射入棱镜，因此偏心反而变成必要的手段，在此相互矛盾的前提下偏心量较少的面给予较大的倍率，反之则尽量回避变成偏心自由曲面光学设计的基本原则。