緊湊型增強現實頭盔顯示器光學系統(tǒng)設計

趙守偉,張 勇,馬東璽,于 明

(1.河北工業(yè)大學信息工程學院,天津 300401；2.軍械技術研究所,河北 石家莊 050000)

·光電技術與系統(tǒng)·

緊湊型增強現實頭盔顯示器光學系統(tǒng)設計

趙守偉1,張 勇2,馬東璽2,于 明1

(1.河北工業(yè)大學信息工程學院,天津 300401；2.軍械技術研究所,河北 石家莊 050000)

設計了一種用于增強現實的緊湊型頭盔顯示器光學系統(tǒng),該系統(tǒng)視場角26.3°×19.7°,焦距32 mm,出瞳距離20 mm,出瞳直徑8 mm。在光學系統(tǒng)中使用衍射面與高次非球面設計,實現了光學系統(tǒng)的輕量化,系統(tǒng)內、外兩個光通道的光能量利用率分別為1/4和1/2,光學系統(tǒng)鏡頭直徑小于45 mm,重量小于8 g,不僅在結構上滿足使用者頭戴要求,而且成像質量接近衍射極限,最大場曲和最大像散分別為45 μm和46 μm,畸變小于5%,最大垂軸色差值僅為6.9 μm,滿足增強現實“虛實結合”顯示需求。

增強現實；頭盔顯示器；折/衍混合；非球面

1 引 言

增強現實(Augmented Reality,AR)借助計算機圖形圖像與數據交互技術,將虛擬信息實時映射到真實場景中,兩種信息相互補充,增加了人類感知真實場景的信息量與理解程度[1-5]。

AR系統(tǒng)的顯示設備負責提供符合人眼視覺感受的信息,根據所用顯示器件的不同,分為屏幕顯示設備(Monitor-based Display,MBD)、頭盔顯示器(Head-mounted Display,HMD)、吊桿式雙目顯示設備(Binocular Omni Orientation Monitor,BOOM)和頭戴式投影顯示設備(Head-mounted Projective Display,HMPD)。目前HMD在AR系統(tǒng)中應用較為廣泛,根據實現原理的不同,HMD分為光學透射式HMD(Optical See-through HMD,OST-HMD)和視頻透射式HMD(Video See-through HMD,VST-HMD)兩種[6]。

和OST-HMD相比,VST-HMD存在3個方面的問題[7]。一是VST-HMD將光學傳感器采集到的真實場景圖像與計算機生成的虛擬場景圖像融合之后再展現在眼前,雖然給使用者以強烈的沉浸感,但長時間配戴容易產生眩暈感；二是VST-HMD利用CCD像機實時拍攝真實場景,但根據真實場景生成的虛擬場景或提示信息往往存在一定的時間延遲,因此要根據后臺處理速度和消耗時間,實時保證“虛實結合”的正確同步存在較大的技術復雜度；三是CCD像機還會增加頭部負載,給使用者帶來諸多不適。相比之下,OST-HMD雖然要求較高的注冊跟蹤精度,但OST-HMD只需處理一個視頻流,易于實現,且基本不會增加頭部重量。

本文設計了一種在可見光波段工作的OST-HMD頭盔顯示器光學系統(tǒng)。設計結果表明,由于引入了衍射面,系統(tǒng)重量大為減輕,成像質量也接近衍射極限,,最大場曲和最大像散分別為45 μm和46 μm,畸變小于5%,最大垂軸色差值僅為6.9 μm,能夠滿足增強現實頭盔顯示器使用要求。

2 設計計算

OST-HMD的設計不僅要滿足特定的光學性能要求,還要綜合考慮重量、視場角、出瞳距離、出瞳直徑、瞳距及光能利用率等因素,同時盡量減少使用者在使用過程中產生的不適。

(1)重量。各種頭盔顯示系統(tǒng)由于功能和結構不同,所以重量也不相同,一般在0.25～3.0 kg范圍內[8],OST-HMD長時間佩戴在使用者頭部,為減少使用中產生的不適,OST-HMD應盡可能輕便,在光學系統(tǒng)設計中,采用OLED作為圖像源,同時引入衍射面,進一步降低了系統(tǒng)重量和尺寸。

(2)視場角。一般來說,人眼雙眼水平視場約200°,垂直視場約120°,但人眼對中心視場最為關注,因而在光學設計時應盡可能的保證中心視場的MTF。由于OLED輸出圖像的寬高比為4∶3,因此光學系統(tǒng)水平視場角與垂直視場角的正切比值應為4∶3。另外,若OST-HMD成像系統(tǒng)視場角較小,則虛實結合圖像顯示的立體效果較差,因此視場角應盡可能大,但過大的視場也會導致光學系統(tǒng)像差矯正困難。人眼最小分辨率為10″,大約為0.5 mrad。而OST-HMD的分辨率取決于圖像源的分辨率和光學系統(tǒng)像差,目前的主要矛盾在于圖像源的分辨率在設計視場下產生的理想角分辨率不高。當像面位于無窮遠時,OST-HMD角分辨率θ可表示為:

θ≈2tan(ω/2)/m=2tan(υ/2)/n

(1)

式中,ω、υ分別為垂直和水平方向的全視場角;m、n分別是圖像源有效顯示面(方形4∶3)上的垂直和水平方向的像素數。若選用有效像元數為1280×1024的OLED,則對應的角分辨率不應小于0.5mrad,即:

α=2·arctan(0.5·θ·m)；

β=2·arctan(0.5·θ·n)

(2)

由式(2)可得水平視場角和垂直視場角分別為α=35.5°；β=28.7°。通常視場越大,光學系統(tǒng)越復雜,體積重量也越大。當選型OLED后,光學系統(tǒng)的視場越大,每度視場對應的像素數越少,系統(tǒng)的分辨率越低。因此合理配置OLED和光學系統(tǒng)視場角是設計頭戴顯示系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

(3)焦距。設OLED對角線長度為L,根據式(3)可求整個光學系統(tǒng)焦距:

f′=L/tanω

(3)

為保證光學系統(tǒng)能適應不同的作用距離,即人眼觀察遠場和近場目標時,疊加的圖像都是清晰的?？衫枚鄼n位微調機構適當調節(jié)OLED裝調面。光學系統(tǒng)焦距設計值為32mm,將OLED看作物,虛擬圖像看作像,根據透鏡物像共軛公式可求出離焦量,如表1所示。

表1 像距、物距和OLED離焦量之間的對應關系

(4)出瞳距離。出瞳距離指光學系統(tǒng)邊緣到人眼瞳孔的最小距離,對于裸眼觀察要求出瞳距離一般不小于15mm,為保證使用者配戴方便,本系統(tǒng)設計的光學系統(tǒng)出瞳距離為20mm。

(5)出瞳直徑。和出瞳直徑直接相關的是頭戴系統(tǒng)的主觀光亮度。頭戴系統(tǒng)的出瞳直徑不應小于人眼瞳孔的直徑。人眼瞳孔白天大約為2mm,黃昏為4～5mm,夜間可達8mm。為了允許眼球有一定范圍的移動而避免漸暈效應,一般要求頭盔顯示光學系統(tǒng)出瞳直徑大于6mm,但是過大的出瞳距離和出瞳直徑將導致軸外像差校正困難。考慮到使用過程中由于運動或其他原因使眼球偏離系統(tǒng)光軸,出瞳直徑設計為8mm。

(6)瞳距。人眼瞳距一般在54～70mm之間,對于雙眼觀測儀器,一般要求左右兩目鏡的最小瞳孔間隔不能大于55～57mm,若要利用兩個對稱的光學系統(tǒng)組成雙目頭盔顯示系統(tǒng),實現立體視覺效果,則兩個光學系統(tǒng)之間的間距應大于62mm。考慮到系統(tǒng)邊緣的機械框架,光學系統(tǒng)直徑應小于46mm。

(7)光能利用率。為確?！疤搶嵔Y合”圖像均能引起正常的人眼視覺刺激。設計時要考慮外界光線和圖像源發(fā)出的光線兩個通道的光能利用率。如果僅利用一個半反半透面,則外界光和圖像源發(fā)出的光通過半反半透面的次數分別是1次和2次,即光能利用率分別為1/2和1/4。人眼可接受的OLED圖像顯示亮度的下限是35cd/m2,最好在70～100cd/m2以上,因此可通過光學系統(tǒng)鍍膜和選擇顯示亮度較高的OLED器件實現“虛實結合”圖像的均衡顯示。

(8)響應波段。OLED作為彩色顯示器件,應在可見光波段內實現真彩顯示,光學系統(tǒng)設計時還應考慮透鏡或反射鏡的色散問題。根據上述分析,表2是用于增強現實的頭盔顯示器光學系統(tǒng)設計指標。

表2 OST-HMD設計指標

3 ZEMAX仿真及分析

根據表2指標要求,使用ZEMAX軟件設計了OST-HMD的光學系統(tǒng)[9]。圖1給出了OST-HMD的光學系統(tǒng)結構圖和MTF圖。整個光學系統(tǒng)總重量僅為8g,包括1塊PMMA透鏡、1塊球面反射鏡和1塊半反半透平板玻璃,其中PMMA透鏡面向圖像源的面為衍射面,另一面為高次非球面。從MTF圖中可以看出,在可見光波段,該光學系統(tǒng)的MTF已經接近衍射極限,具有很高的成像質量。該OST-HMD若是使用其他相同尺寸的更高分辨率的OLED圖像源,可以進一步提高像質。

圖1 OST-HMD光學系統(tǒng)結構圖和MTF曲線圖

圖2分別是場曲、畸變、垂軸色差和垂軸像差曲線。系統(tǒng)的最大場曲和最大像散分別為45μm和46μm,畸變小于5%,最大垂軸色差值僅為6.9μm,滿足增強現實“虛實結合”顯示需求。

圖2 OST-HMD場曲、畸變、垂軸色差和垂軸像差曲線

利用一片樹脂材料(PMMA)的透鏡,面向圖像源的面為衍射面,另一面為高次非球面。由于其具有良好的加工特性,可以通過金剛石車削或注塑的方式加工,對非球面面型幾乎沒有限制。得到的PMMA透鏡非球面面型方程為:

其中,c=0.0633,k=0,A=-3.5194×10-5,B=5.8106×10-8,C=-2.9716×10-9。

以往采用球面設計,會導致光學系統(tǒng)像差和變形增大,出現影像不清、視界歪曲、視野狹小等現象,而采用高次非球面光學系統(tǒng)設計,一方面可消除球差、慧差、像散、場曲,減少光能損失,另一方面在保持抗沖擊性能的前提下,使鏡片更輕、更薄、重量更輕,更適用于頭戴系統(tǒng)使用。和文獻[7]相比,本文設計的緊湊型光學系統(tǒng)重量僅為8g,另外由于采用高次非球面光學系統(tǒng)設計,系統(tǒng)可以減少一片中繼透鏡的像差矯正作用,從而使得整個光學系統(tǒng)更加簡潔和緊湊[10]。

4 結 論

本文設計了一種在可見光波段工作的OST-HMD頭盔顯示器光學系統(tǒng),由于引入了衍射面,系統(tǒng)重量大為減輕,成像質量也接近衍射極限,最大場曲和最大像散分別為45μm和46μm,畸變小于5%,最大垂軸色差值僅為6.9μm,具有很高的分辨率,對虛擬和現實世界都有很高的成像質量,且對更高分辨率的像源也有很好的成像質量。設計的光學系統(tǒng)滿足用于增強現實的要求。

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Compact optical system design of head-mounted display for augmented reality

ZHAO Shou-wei1,ZHANG Yong2,MA Dong-xi2,YU Ming1

(1.Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Institute of Ordnance Technology,Shijiazhuang 050000,China)

A hybrid diffractive-refractive compact optical system of head-mounted display for augmented reality was designed,and the system has field of view of 26.3°×19.7°,eye relief of 20 mm,exit pupil of 8 mm and focal length of 32 mm.By introducing diffractive surface and high-order aspherical design,the lightweight system is realized.The utilization ratios of optical energy in inner channel and outer channel are 1/ 4 and 1/ 2 respectively.The diameter of this system is less than 45 mm and the weight is less than 8 g.This head-mounted display can satisfy the demands of user in structure,and imaging quality approaches diffraction limit,and the maximum field curvature and the maximum astigmatism are 45 μm,46 μm respectively;the distortion is less than 5%,and the maximum lateral chromatic aberration is only 6.9 μm,which satisfies the need of “combining real with virtual” for augmented reality.

augmented reality;head-mounted display;hybrid diffractive refractive;aspherical

總裝科技創(chuàng)新人才團隊資助基金(No.XX20090515)；總裝備部基金資助(No.XX20130301)資助。

趙守偉(1971-),男，博士研究生，主要研究方向為增強現實技術。

2014-10-24;

2014-11-17

1001-5078(2015)07-0830-04

TN873

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.021