趙守偉,張 勇,馬東璽,于 明

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

·光電技術(shù)與系統(tǒng)·

緊湊型增強(qiáng)現(xiàn)實頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

趙守偉1,張 勇2,馬東璽2,于 明1

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

設(shè)計了一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實的緊湊型頭盔顯示器光學(xué)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(xué)系統(tǒng)中使用衍射面與高次非球面設(shè)計,實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的輕量化,系統(tǒng)內(nèi)、外兩個光通道的光能量利用率分別為1/4和1/2,光學(xué)系統(tǒng)鏡頭直徑小于45 mm,重量小于8 g,不僅在結(jié)構(gòu)上滿足使用者頭戴要求,而且成像質(zhì)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(qiáng)現(xiàn)實“虛實結(jié)合”顯示需求。

增強(qiáng)現(xiàn)實；頭盔顯示器；折/衍混合；非球面

1 引 言

增強(qiáng)現(xiàn)實(Augmented Reality,AR)借助計算機(jī)圖形圖像與數(shù)據(jù)交互技術(shù),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(shè)備負(fù)責(zé)提供符合人眼視覺感受的信息,根據(jù)所用顯示器件的不同,分為屏幕顯示設(shè)備(Monitor-based Display,MBD)、頭盔顯示器(Head-mounted Display,HMD)、吊桿式雙目顯示設(shè)備(Binocular Omni Orientation Monitor,BOOM)和頭戴式投影顯示設(shè)備(Head-mounted Projective Display,HMPD)。目前HMD在AR系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛,根據(jù)實現(xiàn)原理的不同,HMD分為光學(xué)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(xué)傳感器采集到的真實場景圖像與計算機(jī)生成的虛擬場景圖像融合之后再展現(xiàn)在眼前,雖然給使用者以強(qiáng)烈的沉浸感,但長時間配戴容易產(chǎn)生眩暈感；二是VST-HMD利用CCD像機(jī)實時拍攝真實場景,但根據(jù)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(jù)后臺處理速度和消耗時間,實時保證“虛實結(jié)合”的正確同步存在較大的技術(shù)復(fù)雜度；三是CCD像機(jī)還會增加頭部負(fù)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(xiàn),且基本不會增加頭部重量。

本文設(shè)計了一種在可見光波段工作的OST-HMD頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)。設(shè)計結(jié)果表明,由于引入了衍射面,系統(tǒng)重量大為減輕,成像質(zhì)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(qiáng)現(xiàn)實頭盔顯示器使用要求。

2 設(shè)計計算

OST-HMD的設(shè)計不僅要滿足特定的光學(xué)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(chǎn)生的不適。

(1)重量。各種頭盔顯示系統(tǒng)由于功能和結(jié)構(gòu)不同,所以重量也不相同,一般在0.25～3.0 kg范圍內(nèi)[8],OST-HMD長時間佩戴在使用者頭部,為減少使用中產(chǎn)生的不適,OST-HMD應(yīng)盡可能輕便,在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中,采用OLED作為圖像源,同時引入衍射面,進(jìn)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(guān)注,因而在光學(xué)設(shè)計時應(yīng)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(xué)系統(tǒng)水平視場角與垂直視場角的正切比值應(yīng)為4∶3。另外,若OST-HMD成像系統(tǒng)視場角較小,則虛實結(jié)合圖像顯示的立體效果較差,因此視場角應(yīng)盡可能大,但過大的視場也會導(dǎo)致光學(xué)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(xué)系統(tǒng)像差,目前的主要矛盾在于圖像源的分辨率在設(shè)計視場下產(chǎn)生的理想角分辨率不高。當(dāng)像面位于無窮遠(yuǎn)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(shù)。若選用有效像元數(shù)為1280×1024的OLED,則對應(yīng)的角分辨率不應(yīng)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(xué)系統(tǒng)越復(fù)雜,體積重量也越大。當(dāng)選型OLED后,光學(xué)系統(tǒng)的視場越大,每度視場對應(yīng)的像素數(shù)越少,系統(tǒng)的分辨率越低。因此合理配置OLED和光學(xué)系統(tǒng)視場角是設(shè)計頭戴顯示系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

(3)焦距。設(shè)OLED對角線長度為L,根據(jù)式(3)可求整個光學(xué)系統(tǒng)焦距:

f′=L/tanω

(3)

為保證光學(xué)系統(tǒng)能適應(yīng)不同的作用距離,即人眼觀察遠(yuǎn)場和近場目標(biāo)時,疊加的圖像都是清晰的?？衫枚鄼n位微調(diào)機(jī)構(gòu)適當(dāng)調(diào)節(jié)OLED裝調(diào)面。光學(xué)系統(tǒng)焦距設(shè)計值為32mm,將OLED看作物,虛擬圖像看作像,根據(jù)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(yīng)關(guān)系

(4)出瞳距離。出瞳距離指光學(xué)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(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)出瞳距離為20mm。

(5)出瞳直徑。和出瞳直徑直接相關(guān)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(yīng)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(dá)8mm。為了允許眼球有一定范圍的移動而避免漸暈效應(yīng),一般要求頭盔顯示光學(xué)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(dǎo)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(shè)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(xué)系統(tǒng)組成雙目頭盔顯示系統(tǒng),實現(xiàn)立體視覺效果,則兩個光學(xué)系統(tǒng)之間的間距應(yīng)大于62mm?？紤]到系統(tǒng)邊緣的機(jī)械框架,光學(xué)系統(tǒng)直徑應(yīng)小于46mm。

(7)光能利用率。為確?！疤搶嵔Y(jié)合”圖像均能引起正常的人眼視覺刺激。設(shè)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(shù)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(xué)系統(tǒng)鍍膜和選擇顯示亮度較高的OLED器件實現(xiàn)“虛實結(jié)合”圖像的均衡顯示。

(8)響應(yīng)波段。OLED作為彩色顯示器件,應(yīng)在可見光波段內(nèi)實現(xiàn)真彩顯示,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時還應(yīng)考慮透鏡或反射鏡的色散問題。根據(jù)上述分析,表2是用于增強(qiáng)現(xiàn)實的頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)。

表2 OST-HMD設(shè)計指標(biāo)

3 ZEMAX仿真及分析

根據(jù)表2指標(biāo)要求,使用ZEMAX軟件設(shè)計了OST-HMD的光學(xué)系統(tǒng)[9]。圖1給出了OST-HMD的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和MTF圖。整個光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的MTF已經(jīng)接近衍射極限,具有很高的成像質(zhì)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(jìn)一步提高像質(zhì)。

圖1 OST-HMD光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qiáng)現(xiàn)實“虛實結(jié)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(shè)計,會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)像差和變形增大,出現(xiàn)影像不清、視界歪曲、視野狹小等現(xiàn)象,而采用高次非球面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)[7]相比,本文設(shè)計的緊湊型光學(xué)系統(tǒng)重量僅為8g,另外由于采用高次非球面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)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(xué)系統(tǒng)更加簡潔和緊湊[10]。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種在可見光波段工作的OST-HMD頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng),由于引入了衍射面,系統(tǒng)重量大為減輕,成像質(zhì)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(xiàn)實世界都有很高的成像質(zhì)量,且對更高分辨率的像源也有很好的成像質(zhì)量。設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)滿足用于增強(qiáng)現(xiàn)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(tuán)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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)。

2014-10-24;

2014-11-17

1001-5078(2015)07-0830-04

TN873

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.021