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，圖像信息通過系統(tǒng)最終傳輸進(jìn)入人眼，所以對系統(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)計頭戴顯示器目視光學(xué)系統(tǒng)時，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、視場角、畸變、調(diào)制傳遞函數(shù) MTF、雙目像差等。今天對這些設(shè)計參數(shù)為大家進(jìn)行簡單的介紹。

1，出瞳直徑

出瞳直徑是光線經(jīng)過目鏡匯聚后，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。使用者在使用時應(yīng)把眼睛對準(zhǔn)出瞳位置，否則可能會出現(xiàn)因視場丟失導(dǎo)致觀察的圖像不完全的現(xiàn)象。所以在設(shè)計這類光學(xué)系統(tǒng)時，需要設(shè)置足夠長的出瞳距離。

3，視場角

視場角指的是人眼在觀察顯示器圖像時的張角，在設(shè)計頭戴顯示器光學(xué)系統(tǒng)時，視場角設(shè)計的越大，沉浸的體驗感就越強(qiáng)烈，但是越大的視場角也會帶來一系列問題。

4，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF

在對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行評價和分析時，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF是一個非常重要的指標(biāo)。通過 MTF可以相對準(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，它采用像平面對比度和物平面對比度的比值來描述光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，MTF是設(shè)計者的一個重要參考標(biāo)準(zhǔn)，不同的光學(xué)系統(tǒng)在不同的要求下的MTF的設(shè)計指標(biāo)都是不同的，設(shè)計者需要根據(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瞳孔中心的水平距離，設(shè)計者在設(shè)計時，需要考慮在頭戴顯示器中左右兩個系統(tǒng)的出瞳距離是否與人眼瞳距相吻合的問題。當(dāng)使用者的雙眼距離與光學(xué)系統(tǒng)瞳距不匹配時，可能會存在一部分光線因為被遮擋而無法進(jìn)入人眼，導(dǎo)致視場丟失，這會對使用者的體驗帶來很大困擾。

6，雙目合像視差

頭戴顯示器中有一部分雙目系統(tǒng)是通過結(jié)構(gòu)件把左右兩個單目系統(tǒng)連接起來，所以使用者在佩戴頭戴顯示器時，實際上是左右眼各觀察一個圖像。為了符合人眼生理特性，兩個單目系統(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，會出現(xiàn)“雙目競爭”現(xiàn)象，影響使用者的佩戴體驗，嚴(yán)重的可能會引起使用者產(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，“雙目競爭”程度越明顯。另外，雙目視差理論也常被用于測量距離，廣泛運用于航天、機(jī)器人等領(lǐng)域。

審核編輯：湯梓紅