雙目大出瞳直徑光學(xué)系統(tǒng)觀察舒適性設(shè)計(jì)

劉效東，侯建偉，朱佳麗，邱衛(wèi)根，孫建華

（1.江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫214035；2.上海理工大學(xué) 光電學(xué)院，上海210093）

引言

在通常的光學(xué)觀察儀器中，為了實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的舒適觀察，往往采用雙目光學(xué)結(jié)構(gòu)形式。常見的雙目光學(xué)儀器有雙筒望遠(yuǎn)鏡、雙目顯微鏡、飛行員頭盔夜視儀，以及各種車輛平臺(tái)上的雙目觀察儀器。傳統(tǒng)的雙目光學(xué)結(jié)構(gòu)通常采用瞳距可調(diào)來適應(yīng)不同人眼的瞳距。隨著微顯示技術(shù)和數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展，雙目大出瞳結(jié)構(gòu)的光學(xué)儀器也越來越多，如雙目熱像儀、單管雙目夜視儀、視頻眼鏡、體視眼鏡等。雙目大出瞳結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中除了考慮像差外，還要考慮雙目結(jié)構(gòu)對(duì)人眼的影響。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，觀察者長時(shí)間使用儀器會(huì)產(chǎn)生頭暈、疲勞等不適感。本文通過分析人眼雙目視覺原理和典型案例，找出儀器設(shè)計(jì)中的誤區(qū)，實(shí)現(xiàn)雙目大出瞳結(jié)構(gòu)的舒適性觀察設(shè)計(jì)。

1 人眼雙目視覺原理

人眼的視軸是晶狀體中心與黃斑中心的連線，通過視軸觀察目標(biāo)的線路叫視線，而黃斑中心僅約2°內(nèi)影像視覺是最清晰的。因此人眼要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的注視觀察，必須將視線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并通過人眼調(diào)節(jié)使目標(biāo)聚焦在黃斑中心。當(dāng)雙目觀察目標(biāo)時(shí)，雙目視線的會(huì)聚點(diǎn)和每個(gè)眼睛的聚焦點(diǎn)都會(huì)在觀察目標(biāo)上。如圖1所示，b為人眼的瞳距，l為人眼到目標(biāo)的距離；當(dāng)觀察無窮遠(yuǎn)（l＝∞）目標(biāo)時(shí)，雙目視線平行。我們知道正常人眼雙目舒適觀察目標(biāo)的距離為無窮遠(yuǎn)到明視距離（l＝250mm）［1］，在 該 范 圍 里，會(huì) 聚 角 ε 從 （0～b／250）rad，變化了4m－1（光焦度），人眼聚焦、會(huì)聚觀察目標(biāo)上同一點(diǎn)，因此人眼不易疲勞，適合長時(shí)間觀察。而當(dāng)會(huì)聚角為負(fù)值或大于b／250rad，正常人眼會(huì)因調(diào)節(jié)吃力感到不舒適。我們知道還有一種人眼雙目觀察不舒適的情況：即聚焦點(diǎn)與會(huì)聚點(diǎn)不在一個(gè)面，如圖2所示的祼眼立體圖對(duì)和圖3所示的計(jì)算機(jī)隨機(jī)點(diǎn)立體圖［2］。圖2的情況是會(huì)聚點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，聚焦點(diǎn)在有限遠(yuǎn)，如果lo＝250mm，此時(shí)的聚焦差為4m－1；圖3的情況是聚焦點(diǎn)和會(huì)聚點(diǎn)分開，形成了聚焦差。如果目標(biāo)到人眼的距離為lo，會(huì)聚點(diǎn)到人眼的距離為lh，這里定義聚焦差為人眼到會(huì)聚點(diǎn)和聚焦點(diǎn)的距離倒數(shù)之差的絕對(duì)值 M＝（｜1／lo－1／lh｜），單位為 m－1。

圖1 雙目視覺會(huì)聚與聚焦示意圖Fig.1 Schematic diagram of convergence and focus binocular optical system

顯然M值越大，人眼會(huì)感到越不舒適，甚至無法觀看。如圖1的情況，M值為零時(shí)觀察最舒適，因此立體電影、電視和紅綠濾色立體圖等都是采用這種方式提高觀察舒適性［3］。一般的光學(xué)儀器設(shè)計(jì)時(shí)都把雙光軸置于平行狀態(tài)，目鏡中心視度定為零；人眼通過光學(xué)儀器進(jìn)行觀察時(shí)，為了適應(yīng)不同瞳距的人眼觀察，儀器雙目的瞳距都可以調(diào)整，通過調(diào)整達(dá)到了舒適觀察的條件［4－7］。由于大出瞳雙目光學(xué)儀器瞳距沒有調(diào)整環(huán)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)舒適觀察，下面以視頻眼鏡的典型光路，來分析設(shè)計(jì)裝調(diào)中的影響因素。

圖2 立體圖對(duì)及原理Fig.2 Stereogram and principle

圖3 隨機(jī)點(diǎn)立體圖及聚焦差示意圖Fig.3 Random dots charts and schematic diagram of focusing difference

2 雙目大出瞳光學(xué)儀器觀察舒適性影響因素討論

雙目光學(xué)儀器目鏡的雙光軸一般設(shè)計(jì)和調(diào)校成平行的，對(duì)于水平會(huì)聚和水平發(fā)散公差都有明確要求。當(dāng)目鏡為零視度時(shí)，從如圖4所示的光路可看出，對(duì)于瞳距大小都能夠適用。我們知道國內(nèi)一般要求光學(xué)儀器的瞳距適應(yīng)范圍是54mm～72mm，有18mm的調(diào)節(jié)量，如果瞳孔按3mm計(jì)算，出瞳直徑要設(shè)計(jì)到12mm就可覆蓋這個(gè)瞳距變化量；如果按微光夜視儀瞳孔6mm計(jì)算，出瞳直徑要設(shè)計(jì)到15mm才能滿足要求。當(dāng)目鏡不在零視度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些問題。從圖5負(fù)視度瞳距光路示意圖中可看出，只有瞳距較大的S1有可能聚焦差為零，S2、S3的則不能，S3的聚焦差較大，且瞳距較小S3的會(huì)聚角還會(huì)為負(fù)值。我們知道眼球的運(yùn)動(dòng)是靠6條肌肉的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn) 的［4，8－10］，它是一個(gè)多年形成的協(xié)調(diào)的動(dòng)作。因此讓人的雙眼肌肉不協(xié)調(diào)地工作會(huì)導(dǎo)致觀察疲勞，不適宜長久觀看，甚至不能觀看。圖6顯示了正視度瞳距光路示意圖，與圖5相反，只有瞳距較小的S3有可能聚焦差為零，瞳距較大S1的會(huì)聚角還會(huì)為負(fù)值。在軍標(biāo)中規(guī)定雙目光學(xué)儀器兩光軸的水平發(fā)散90′，水平會(huì)聚是20′，對(duì)應(yīng)會(huì)聚角ε從－20′～90′；這說明雙目光學(xué)儀器應(yīng)該設(shè)置使人眼會(huì)聚角ε大于0，以便觀察有限距離時(shí)，減少聚焦差。反之，聚焦差比較大，眼睛長時(shí)間觀察會(huì)產(chǎn)生疲勞。

圖4 視頻眼鏡典型光路示意圖Fig.4 Principle diagram of head mounted display

圖5 雙目負(fù)視度瞳距光路示意圖Fig.5 Optical path schematic diagram of binocular negative eyesight

圖6 雙目正視度瞳距適應(yīng)光路示意圖Fig.6 Optical path schematic diagram of binocular positive eyesight

要解決這個(gè)問題，就要使雙目鏡光軸平行或水平發(fā)散，這需要將左右2個(gè)像面預(yù)先移動(dòng)一定量。至少要保證圖7中S3和圖8中S1的出射主光線平行于光軸。以實(shí)例來分析，如瞳距適應(yīng)范圍是54mm～72mm，瞳孔為6mm，視度調(diào)節(jié)范圍為（3～5）m－1，出瞳直徑設(shè)計(jì)為15mm，目鏡焦距設(shè)計(jì)為21mm，2個(gè)像面需向中心預(yù)先移動(dòng)0.48mm以上。通過這樣的裝配，雙目觀察舒適性會(huì)有明顯提高。一般的光學(xué)儀器中心視度或固定視度都定在（－1～－2）m－1。因此2個(gè)像面中心也應(yīng)移至使會(huì)聚點(diǎn)達(dá)到1m或0.5m的位置，讓眼睛會(huì)聚在250mm～∞的范圍內(nèi)（以矯正視力為準(zhǔn)）。仍用上面的例子，2組像面分別應(yīng)向中心移動(dòng)0.67mm或1.34mm，那樣看起來會(huì)很舒適。如果按現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)檢測，光軸平行性及瞳距適應(yīng)范圍都將面臨不合格。當(dāng)然，如果在雙目大出瞳光學(xué)儀器設(shè)計(jì)中，考慮可進(jìn)行像面與目鏡相對(duì)微調(diào)的機(jī)構(gòu)，以確保會(huì)聚角為零或正值，聚焦差為零，觀察舒適性會(huì)大大提高。

圖7 雙目負(fù)視度瞳距適應(yīng)光路示意圖Fig.7 Optical path schematic diagram of adapted pupil distance for binocular negative eyesight

圖8 雙目正視度瞳距適應(yīng)光路示意圖Fig.8 Optical path schematic diagram of adapted pupil distance for binocular positive eyesight

3 結(jié)論

雙目大出瞳光學(xué)儀器的會(huì)聚角和聚焦差控制是2個(gè)重要的設(shè)計(jì)要素，對(duì)儀器的觀察舒適性非常重要。在雙目大出瞳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免會(huì)聚角負(fù)值的情況出現(xiàn)，聚焦差盡可能為零，一般應(yīng)小于2m－1。如果是年輕戰(zhàn)士用的軍事裝備，雙目鏡光軸應(yīng)預(yù)置一個(gè)（0～b／250）rad范圍內(nèi)的會(huì)聚角，這可以讓更多的戰(zhàn)士實(shí)現(xiàn)長時(shí)間地舒適觀察儀器。

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