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隨身看顯示系統(tǒng)的光路
來(lái)源： 日期：2013-11-16 22:04:03 人氣：標(biāo)簽：
由于隨身看顯示系統(tǒng)所用顯示器件很小，為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)大屏、舒適的顯示效果，必須用一套光路將微顯示器放大。其放大原理即通過(guò)光路將微顯示器顯示的圖像放大置于人眼的明視距離。從而形成一個(gè)大的虛像圖示。
可以實(shí)現(xiàn)的光路系統(tǒng)，一般可以分為同軸光路系統(tǒng)和離軸光路系統(tǒng)兩大類。典型的設(shè)計(jì)方案以下例為代表。
1．目鏡式放大光路系統(tǒng)的同軸設(shè)計(jì)。
2．自由曲面內(nèi)反射鏡的離軸設(shè)計(jì)。
下面將具體介紹
1．同軸式目鏡式放大光路系統(tǒng)
其原理類似望遠(yuǎn)鏡的目鏡，如下圖所示，由3～5片透鏡組成。
這種光路設(shè)計(jì)，由于采用了同軸對(duì)稱的凸透鏡系統(tǒng)，透鏡的設(shè)計(jì)和加工都比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)較大放大張角的效果，但是為了減小像差，不得不適當(dāng)增加透鏡數(shù)量，延長(zhǎng)光路長(zhǎng)度，因此，其系統(tǒng)的長(zhǎng)度大，體積大，用于隨身看的頭盔顯示，顯得笨重。但當(dāng)用于軍事用途等場(chǎng)合，由于其置于頭盔上，相對(duì)于厚重的頭盔可以不必過(guò)于計(jì)較。 因此，這種結(jié)構(gòu)，還被廣泛采用。
2．離軸式自由曲面內(nèi)反射鏡的光路系統(tǒng)
這是一種非常適合隨身看顯示系統(tǒng)近眼觀看的極有發(fā)展前景的離軸式光路系統(tǒng)，下圖是其用于隨身看顯示系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)典型設(shè)計(jì)示例。
這種光路系統(tǒng)的 大優(yōu)點(diǎn)是由于軸上光的長(zhǎng)度與光學(xué)系統(tǒng)大小無(wú)關(guān)，因此可以將光路多次折疊，從而使光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，小巧，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的微型化。而且，由于采用了自由曲面的設(shè)計(jì)加工和機(jī)內(nèi)面鏡，使整體像差可以大大低于傳統(tǒng)的同軸透鏡式光路系統(tǒng)。
此系統(tǒng)不同光學(xué)鏡面的不同光學(xué)powerφ，見(jiàn)下圖。其中，折射鏡面的φ=(n-1)/r，面表面反射鏡φ=2/r，而內(nèi)反射鏡的φ=2n/r，（其中r為曲率半徑，n為折射率），由此可以看出，曲率半徑越小，φ越大，但此時(shí)，φ越大像差也越大；其次，內(nèi)反射鏡與透射鏡（折射面鏡）相比，只有1/6的曲率半徑就可以得到同樣的φ值。所以其像差小，無(wú)色差。
但是，使用這種內(nèi)反射鏡時(shí)，如果采用同軸光路，光路被反射鏡阻擋光線無(wú)法取出。為此，在使用內(nèi)反射鏡時(shí)不得不使用偏心的離軸設(shè)計(jì)。對(duì)光學(xué)而言，偏心、離軸將會(huì)產(chǎn)生更大的像差，使問(wèn)題更復(fù)雜。
離軸設(shè)計(jì)產(chǎn)生的偏心像差主要有以下四類，見(jiàn)下圖。
(1)非點(diǎn)格差：在回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)的軸上常發(fā)生軸對(duì)稱，球面象差。在偏心光學(xué)的軸上亦經(jīng)常發(fā)生非常格差。
(2)慧差：在回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)的軸外常發(fā)生的慧差（coma象差），在偏心光學(xué)軸上亦會(huì)出現(xiàn)。
(3)像面彎曲與變形：因偏心產(chǎn)生的像面彎曲與變形，沒(méi)有點(diǎn)對(duì)稱的特征，偏心會(huì)造成明顯的梯形、弓形的象變形。(4)象面傾斜：象面彎曲乃是反射面具有正光焦度所造成，對(duì)光線行進(jìn)方向而言則變成凹面彎曲狀，因此光線會(huì)隨著凹面彎曲傾斜，嚴(yán)重時(shí)成為園柱狀，此時(shí)光學(xué)面若有偏心便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的象差。
當(dāng)然，偏心離軸的光學(xué)系統(tǒng)也有優(yōu)點(diǎn)，那就是，光路偏離中心對(duì)稱軸，可以使光路在軸外折疊，從而使光路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、小巧，此時(shí)軸上光路的長(zhǎng)度已經(jīng)和光學(xué)系統(tǒng)大小無(wú)關(guān)了。
不過(guò)，能否解決離軸光學(xué)系統(tǒng)偏心造成的像差是其是否實(shí)用的關(guān)鍵。
我們利用自由曲面對(duì)像差進(jìn)行補(bǔ)償修正的方法，所謂自由曲面并非任意、無(wú)序的自由曲面，而必須是可以追蹤光路，并能夠由數(shù)控機(jī)床加工制造的。
由此得到的自由曲面棱鏡，可以很好的消除、補(bǔ)償、修正偏心光學(xué)造成的像差，使其能夠制造出小巧的近眼光學(xué)系統(tǒng)，使其不但具有高倍目鏡所具有的高放大倍數(shù)、小的像差；而且可以具有如低放大倍數(shù)放大鏡所具的大射出瞳經(jīng)。一般近眼光學(xué)系統(tǒng)的射出瞳徑若有4mm便可視像。由于雙眼式hmd的眼幅因人而異，因此需借助眼幅調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整，如此一來(lái)會(huì)造成本體重量不易輕型化。有鑒于此，小型輕量hmd的光學(xué)系統(tǒng)射出瞳徑若有12×4mm大小，便可充分滿足眼幅55～71mm的漂移容許范圍，且不需任何眼幅調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整。
下圖為偏軸自由曲面hmd近眼光學(xué)用棱鏡剖面圖一例。lcd產(chǎn)生的光線射入傾斜于光軸之自由曲面第1面，光線先在第3面全反射，之后在傾斜自由面之凹面鏡第2面反射，再度通過(guò)第3面進(jìn)入觀視者眼睛。第1、2面為自由曲面可作偏心象差的修正，其中第2面是光路中承擔(dān)光焦度 重的面，第3面則為穿透與全反射面，因此全反射面有效直徑與穿透面有效直徑兩者的堆疊對(duì)光學(xué)小型化具有重大貢獻(xiàn)。
如上所述棱鏡與偏心的各面構(gòu)成小型堆疊狀光學(xué)系統(tǒng)是偏心光學(xué) 大優(yōu)勢(shì)。除此之外偏心棱鏡（下圖）還具有相當(dāng)于回轉(zhuǎn)對(duì)稱透射鏡片3-4片份的象差修正能力，因此可應(yīng)用于成象光學(xué)系統(tǒng)。
日本olympus即利用這種離軸式偏心自由曲面棱鏡制作了小巧、輕便的隨身看顯示系統(tǒng)。
對(duì)于隨身看顯示系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)中還有一些問(wèn)題值得重視。
首先是，所用lcd．不論是哪一種類型，由于尺寸很小，大都作成黑/白單色的，為了實(shí)現(xiàn)彩色化，一般是采用rgb，三色光循環(huán)掃描的方式，即將一幀分成三個(gè)子幀，每幀的三個(gè)子幀顯示時(shí)被rgb三色光循環(huán)照明，由于lcd很小，只用三只紅綠藍(lán)發(fā)光二極管就夠了。
其次，如果使用的是如lcos之類反射式lcd時(shí)，由于lcd不用偏光片，所以光路設(shè)計(jì)時(shí)必須增加偏光調(diào)制系統(tǒng)。當(dāng)使用oel主動(dòng)發(fā)光顯示器件時(shí)，由于一般顯示器件都是全彩色的發(fā)光器件，而且不需偏光調(diào)制，所以光路相對(duì)簡(jiǎn)單，但是，由于顯示像素是由紅綠藍(lán)三色像素構(gòu)成，所以系統(tǒng)的分辨率會(huì)大大下降。
作為光路設(shè)計(jì)主要的目的是完成將信息顯示給人眼，因此在設(shè)計(jì)中還應(yīng)該充分考慮人機(jī)交流的友好界面，充分考慮人體工程的各種要求。
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