紧凑型增强现实头盔显示器光学系统设计

赵守伟,张 勇,马东玺,于 明

(1.河北工业大学信息工程学院,天津 300401；2.军械技术研究所,河北 石家庄 050000)

·光电技术与系统·

紧凑型增强现实头盔显示器光学系统设计

赵守伟1,张 勇2,马东玺2,于 明1

(1.河北工业大学信息工程学院,天津 300401；2.军械技术研究所,河北 石家庄 050000)

设计了一种用于增强现实的紧凑型头盔显示器光学系统,该系统视场角26.3°×19.7°,焦距32 mm,出瞳距离20 mm,出瞳直径8 mm。在光学系统中使用衍射面与高次非球面设计,实现了光学系统的轻量化,系统内、外两个光通道的光能量利用率分别为1/4和1/2,光学系统镜头直径小于45 mm,重量小于8 g,不仅在结构上满足使用者头戴要求,而且成像质量接近衍射极限,最大场曲和最大像散分别为45 μm和46 μm,畸变小于5%,最大垂轴色差值仅为6.9 μm,满足增强现实“虚实结合”显示需求。

增强现实；头盔显示器；折/衍混合；非球面

1 引 言

增强现实(Augmented Reality,AR)借助计算机图形图像与数据交互技术,将虚拟信息实时映射到真实场景中,两种信息相互补充,增加了人类感知真实场景的信息量与理解程度[1-5]。

AR系统的显示设备负责提供符合人眼视觉感受的信息,根据所用显示器件的不同,分为屏幕显示设备(Monitor-based Display,MBD)、头盔显示器(Head-mounted Display,HMD)、吊杆式双目显示设备(Binocular Omni Orientation Monitor,BOOM)和头戴式投影显示设备(Head-mounted Projective Display,HMPD)。目前HMD在AR系统中应用较为广泛,根据实现原理的不同,HMD分为光学透射式HMD(Optical See-through HMD,OST-HMD)和视频透射式HMD(Video See-through HMD,VST-HMD)两种[6]。

和OST-HMD相比,VST-HMD存在3个方面的问题[7]。一是VST-HMD将光学传感器采集到的真实场景图像与计算机生成的虚拟场景图像融合之后再展现在眼前,虽然给使用者以强烈的沉浸感,但长时间配戴容易产生眩晕感；二是VST-HMD利用CCD像机实时拍摄真实场景,但根据真实场景生成的虚拟场景或提示信息往往存在一定的时间延迟,因此要根据后台处理速度和消耗时间,实时保证“虚实结合”的正确同步存在较大的技术复杂度；三是CCD像机还会增加头部负载,给使用者带来诸多不适。相比之下,OST-HMD虽然要求较高的注册跟踪精度,但OST-HMD只需处理一个视频流,易于实现,且基本不会增加头部重量。

本文设计了一种在可见光波段工作的OST-HMD头盔显示器光学系统。设计结果表明,由于引入了衍射面,系统重量大为减轻,成像质量也接近衍射极限,,最大场曲和最大像散分别为45 μm和46 μm,畸变小于5%,最大垂轴色差值仅为6.9 μm,能够满足增强现实头盔显示器使用要求。

2 设计计算

OST-HMD的设计不仅要满足特定的光学性能要求,还要综合考虑重量、视场角、出瞳距离、出瞳直径、瞳距及光能利用率等因素,同时尽量减少使用者在使用过程中产生的不适。

(1)重量。各种头盔显示系统由于功能和结构不同,所以重量也不相同,一般在0.25～3.0 kg范围内[8],OST-HMD长时间佩戴在使用者头部,为减少使用中产生的不适,OST-HMD应尽可能轻便,在光学系统设计中,采用OLED作为图像源,同时引入衍射面,进一步降低了系统重量和尺寸。

(2)视场角。一般来说,人眼双眼水平视场约200°,垂直视场约120°,但人眼对中心视场最为关注,因而在光学设计时应尽可能的保证中心视场的MTF。由于OLED输出图像的宽高比为4∶3,因此光学系统水平视场角与垂直视场角的正切比值应为4∶3。另外,若OST-HMD成像系统视场角较小,则虚实结合图像显示的立体效果较差,因此视场角应尽可能大,但过大的视场也会导致光学系统像差矫正困难。人眼最小分辨率为10″,大约为0.5 mrad。而OST-HMD的分辨率取决于图像源的分辨率和光学系统像差,目前的主要矛盾在于图像源的分辨率在设计视场下产生的理想角分辨率不高。当像面位于无穷远时,OST-HMD角分辨率θ可表示为:

θ≈2tan(ω/2)/m=2tan(υ/2)/n

(1)

式中,ω、υ分别为垂直和水平方向的全视场角;m、n分别是图像源有效显示面(方形4∶3)上的垂直和水平方向的像素数。若选用有效像元数为1280×1024的OLED,则对应的角分辨率不应小于0.5mrad,即:

α=2·arctan(0.5·θ·m)；

β=2·arctan(0.5·θ·n)

(2)

由式(2)可得水平视场角和垂直视场角分别为α=35.5°；β=28.7°。通常视场越大,光学系统越复杂,体积重量也越大。当选型OLED后,光学系统的视场越大,每度视场对应的像素数越少,系统的分辨率越低。因此合理配置OLED和光学系统视场角是设计头戴显示系统的重要环节。

(3)焦距。设OLED对角线长度为L,根据式(3)可求整个光学系统焦距:

f′=L/tanω

(3)

为保证光学系统能适应不同的作用距离,即人眼观察远场和近场目标时,叠加的图像都是清晰的。可利用多档位微调机构适当调节OLED装调面。光学系统焦距设计值为32mm,将OLED看作物,虚拟图像看作像,根据透镜物像共轭公式可求出离焦量,如表1所示。

表1 像距、物距和OLED离焦量之间的对应关系

(4)出瞳距离。出瞳距离指光学系统边缘到人眼瞳孔的最小距离,对于裸眼观察要求出瞳距离一般不小于15mm,为保证使用者配戴方便,本系统设计的光学系统出瞳距离为20mm。

(5)出瞳直径。和出瞳直径直接相关的是头戴系统的主观光亮度。头戴系统的出瞳直径不应小于人眼瞳孔的直径。人眼瞳孔白天大约为2mm,黄昏为4～5mm,夜间可达8mm。为了允许眼球有一定范围的移动而避免渐晕效应,一般要求头盔显示光学系统出瞳直径大于6mm,但是过大的出瞳距离和出瞳直径将导致轴外像差校正困难。考虑到使用过程中由于运动或其他原因使眼球偏离系统光轴,出瞳直径设计为8mm。

(6)瞳距。人眼瞳距一般在54～70mm之间,对于双眼观测仪器,一般要求左右两目镜的最小瞳孔间隔不能大于55～57mm,若要利用两个对称的光学系统组成双目头盔显示系统,实现立体视觉效果,则两个光学系统之间的间距应大于62mm。考虑到系统边缘的机械框架,光学系统直径应小于46mm。

(7)光能利用率。为确保“虚实结合”图像均能引起正常的人眼视觉刺激。设计时要考虑外界光线和图像源发出的光线两个通道的光能利用率。如果仅利用一个半反半透面,则外界光和图像源发出的光通过半反半透面的次数分别是1次和2次,即光能利用率分别为1/2和1/4。人眼可接受的OLED图像显示亮度的下限是35cd/m2,最好在70～100cd/m2以上,因此可通过光学系统镀膜和选择显示亮度较高的OLED器件实现“虚实结合”图像的均衡显示。

(8)响应波段。OLED作为彩色显示器件,应在可见光波段内实现真彩显示,光学系统设计时还应考虑透镜或反射镜的色散问题。根据上述分析,表2是用于增强现实的头盔显示器光学系统设计指标。

表2 OST-HMD设计指标

3 ZEMAX仿真及分析

根据表2指标要求,使用ZEMAX软件设计了OST-HMD的光学系统[9]。图1给出了OST-HMD的光学系统结构图和MTF图。整个光学系统总重量仅为8g,包括1块PMMA透镜、1块球面反射镜和1块半反半透平板玻璃,其中PMMA透镜面向图像源的面为衍射面,另一面为高次非球面。从MTF图中可以看出,在可见光波段,该光学系统的MTF已经接近衍射极限,具有很高的成像质量。该OST-HMD若是使用其他相同尺寸的更高分辨率的OLED图像源,可以进一步提高像质。

图1 OST-HMD光学系统结构图和MTF曲线图

图2分别是场曲、畸变、垂轴色差和垂轴像差曲线。系统的最大场曲和最大像散分别为45μm和46μm,畸变小于5%,最大垂轴色差值仅为6.9μm,满足增强现实“虚实结合”显示需求。

图2 OST-HMD场曲、畸变、垂轴色差和垂轴像差曲线

利用一片树脂材料(PMMA)的透镜,面向图像源的面为衍射面,另一面为高次非球面。由于其具有良好的加工特性,可以通过金刚石车削或注塑的方式加工,对非球面面型几乎没有限制。得到的PMMA透镜非球面面型方程为:

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

以往采用球面设计,会导致光学系统像差和变形增大,出现影像不清、视界歪曲、视野狭小等现象,而采用高次非球面光学系统设计,一方面可消除球差、慧差、像散、场曲,减少光能损失,另一方面在保持抗冲击性能的前提下,使镜片更轻、更薄、重量更轻,更适用于头戴系统使用。和文献[7]相比,本文设计的紧凑型光学系统重量仅为8g,另外由于采用高次非球面光学系统设计,系统可以减少一片中继透镜的像差矫正作用,从而使得整个光学系统更加简洁和紧凑[10]。

4 结 论

本文设计了一种在可见光波段工作的OST-HMD头盔显示器光学系统,由于引入了衍射面,系统重量大为减轻,成像质量也接近衍射极限,最大场曲和最大像散分别为45μm和46μm,畸变小于5%,最大垂轴色差值仅为6.9μm,具有很高的分辨率,对虚拟和现实世界都有很高的成像质量,且对更高分辨率的像源也有很好的成像质量。设计的光学系统满足用于增强现实的要求。

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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

总装科技创新人才团队资助基金(No.XX20090515)；总装备部基金资助(No.XX20130301)资助。

赵守伟(1971-),男，博士研究生，主要研究方向为增强现实技术。

2014-10-24;

2014-11-17

1001-5078(2015)07-0830-04

TN873

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.021