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1、分类号 UDC ： Y 9 3 0 7 8 密级： 编号： 3 D 虚拟数字电视头盔显示系统的研制 3 D n u a ID i g i t a lT e l e v i s i o nH M DS y s t e m D e s i g na n dM a n u f a c t u r e 学位授予单位及代码：篮壹理工盔堂fl Q l 竖2 学科专业名称及代码：型达盐量控盎丛邀墨Q 8 Q Q Z 2 研究方向：堂堂堂盐 申请学位级别： 亟 指导教师：王圭坚j 签塑 答辩委员会主席： 研究 生：蔓捱盎 论文评阅人： 星奎轮 论文起I r 时间：2 Q Q 4 ：l ! = 兰Q Q 5 ：
2、1 2丕! ：之暮 摘要 随着科技的发展，平面显示技术呈现日新月异的飞速发展，但由这 些器件直接做成的显示器所呈现的画面都逃脱不掉“平面”的命运；具有 3 D 显示的数字电视终端即将成为未来显示的发展方向和重要核心。其 中，3 D 虚拟头盔系统的迅速发展给世界及中国即将到来的数字电视3 D 虚拟现实系统带来了重要的契机和希望。 本文研制用于3 D 虚拟数字电视的头盔显示系统，分析了与H M D 有关的人的因素和图像源，并利用z E M A x 进行光学系统的初始结构求 解、优化设计和公差分析，组装成在可见光波段的3 D 虚拟头盔显示系 统。此系统理论设计时，M T F 在3 0 l p n u
3、 n 时大于O 3 2 ，畸变小于5 ， 倍率色差半径小于2 0 岬，F 数 7 0c 曲n 2 舶n tl 啪i n a I l c e ( 1 1 ) C o n n 粥tR a t i o ： 1 0 0 ：1I n t d n s i c ( D a r k A m b i e n t ) ( 1 2 ) T e m p e r a m r e ： 0 p e 倒c i I l g ：0 。C _ 4 0 。C S t o r a g e ：一1 0 。C + 8 5 。C ( 1 3 ) H 啪i d i t y ：8 5 I 己Hn o n c o n d e n s i n g
4、利用此3 DO L E D 作为图像源，大大地减轻了头盔显示器的重量； 而且如果输入的信息是立体的，则可以呈现立体图像；由于该显示器采 用了数字R G B 接口，避免了使用c R T 带来的高压危险。 2 33 D 虚拟数字电视头盔的光学系统 3 D 虚拟数字电视头盔光学系统的功能就是将微显示器的图像放大 成清晰、明显、明亮的虚拟图像，供使用者观看。“。3 D 虚拟数字电视 头盔根据所选图像源的不同，光学系统的结构也不相同。一般的3 D 头 盔光学系统都是由目镜、场镜、中继透镜系统和视场致平器组成。它们 的功能分别是：目镜是一个具有外部出射光瞳的透镜系统；场透镜的作 用是使光束朝光轴方向弯曲，
5、重新对准目镜；中继透镜系统可以不用增 加透镜直径就能完成远距离图像传送；视场致平器是在像平面附近用的 平透镜，用来校正像差，能够给像面整形而不严重影响有效焦距、图像 大小和位置。但是由这些透镜组成的光学系统较为复杂，且显得笨重。 近年来用于头盔显示器等方面的产品对目镜的轻量化和小型化提 出了越来越高的要求，同时用于头盔显示器的目镜要求有大的出瞳距离 和出瞳直径，而需要满足这一要求并获得很好像质的传统目镜结构更加 复杂，体积和重量大大增加。本论文采用重量轻、分辨率高的O L E D 作 为图像源，利用它的特点，简化光学系统，直接用一个类似于目镜的光 学系统和它对接，这样可以简化系统结构，减轻重量
6、。另外，用于头盔 显示器的目镜不同于固定使用于显微镜和望远镜等中的目镜，设计中还 需考虑人的因素，具体见第二节中的人工机效。 根据以上几方面的讨论，最终确定设计一个物距为2 米远，全视场 角为5 0 。( 4 0 0 3 0 0 ) ，出瞳距离为2 0 m m ，出瞳直径为6 m m ，半像高为 7 5 m m ( 6 I n m 4 5 m m ) 的折射式目镜，用于3 D 虚拟数字电视头盔。其像 质要求理想设计时，M T F 在3 0 l p m m 时大于0 3 ，畸变小于5 ，倍率 色差半径小于2 0 哪；加工后，考虑到误差因素，应满足M T F 在3 0 l p m m 时大于0 2
7、 5 。 第三章头盔光学系统的设计分析 头盔光学系统基于人眼接收器，不但满足一般的系统要求，更要满 足人体工学的匹配。其传统光学设计方法采用P w 法等，设计过程不但 繁琐复杂，而且容易出错。随着数据库的建立和z E M A x 的强大功能， 以其为基础的新的方法正在建立。 3 1 目镜系统基本特点和像差特性 目镜是一类应用广泛的光学系统，它将物镜所成的像，成像在无限 远，供人眼观察，是整个目视系统中的一个重要组成部分。从目镜的光 学特性来说，具有以下特点。“：( 1 ) 焦距短，一般目镜的焦距在1 5 3 0 m m 之间。( 2 ) 相对孔径比较小，由于目镜的出瞳为人眼的瞳孔，一般在 2
8、“m m 之间，而其焦距范围为1 5 3 0 r 啪，目镜的相对孔径一般小于1 3 。 ( 3 ) 视场角大，一般目镜的视场都比较大，通常在4 0 。左右，广角目镜 视场在6 0 0 左右，有些特广角目镜视场甚至达1 0 0 。视场角大是目镜的 一个最突出的特点。( 4 ) 入瞳和出瞳远离透镜组，目镜的入瞳一般位于 前方的物镜上，而出瞳则位于后方一定距离上。因此目镜的成像光束必 然随着视场角的增加而远离光轴，这样目镜的透镜直径和它的焦距比较 起来相当大，使像差校正比较困难。 由于目镜光学特性方面的特点，决定了它的像差性质。其像差性质 特点为：( 1 ) 由于目镜的视场比较大，出瞳又远离透镜组，
9、轴外光束在 透镜组上的投射高比较大，在透镜表面上的入射角自然也就增大，因此 轴外斜光束像差如彗差、像散、场曲、畸变和垂轴色差都很大。( 2 ) 由 于目镜的焦距比较短，而相对孔径一般不大，同时由于校正轴外像差的 需要，系统中的透镜比较多，因此目镜的球差和轴向色差一般比较小， 不用特别注意校正就能满足要求。所以目镜的像差校正以轴外像差为 主，其中尤其是影响成像清晰的几种像差，如彗差、像散和垂轴色差最 重要。( 3 ) 畸变由于不影响成像清晰，一般不作完全校正，通常在目镜 中都有较大的畸变。( 4 ) 目镜的场曲一般不进行校正。光学系统要校正 场曲，必须在系统中具有互相远离的正透镜和负透镜组，二者
10、的光焦度 符号相反，数值近似相等。这种透镜组结构大大增加了目镜的口径，使 得轴外像差特别是高级像差将大大增加，即使采用若干透镜组组合，也 难使像差校正得很好。因此在目镜中一般不校正场曲，只是用像散和它 进行补偿。因此在目镜中实际上主要只校正像散、垂轴色差和彗差这三 种像差。彗差和光束口径的平方成比例，由于目镜的光束口径较小，彗 差也不会很大，在这三种像差中它居于次要地位，在目镜中最重要的是 像散和垂轴色差。即使这三种像差，一般在目镜中也不能完全校正。 1 9 3 2 头盔目镜系统的结构分析 传统目镜按结构主要分为：冉斯登目镜、惠更斯目镜、凯涅耳目镜、 对称式目镜、无畸变目镜和广角目镜( 如艾尔
11、弗目镜、塞得莫尔目镜、 蔡司目镜等) 等，其光学特性、像差情况见表3 1 。 ， t 表示出瞳距离，表示焦距 从第二章3 D 虚拟数字电视头盔光学系统的技术指标中可以看出， 此系统理论焦距为1 6 0 8 I n m ( ，k y t g ) ，：厂* 1 2 4 ，而且畸变要求小 于5 ，在常用的目镜结构中，很难满足上述要求，这就要求利用特殊 的结构进行设计。 考虑到系统畸变要求较小，采用无畸变目镜进行改造。无畸变目镜 视场一般在4 0 。，而系统现在要求5 0 。；首先由于视场角的增大，在一 定的出瞳距离要求下，斜光束的倾斜角和在透镜表面的投射高随之增 加，各种高级像差增大很快，即使采用系
12、统的初级像差和它进行平衡以 后，剩余的像差仍然很大，其次由于视场角增大，场曲量增加，即使用 像散补偿以后，剩余的像散和平均场曲仍然较大。为了克服以上障碍， 在本系统目镜中采用以下措施： ( 1 ) 为了减小场曲，必须在系统中加入负透镜组，并且要求和正 透镜组远离，合理的位置是在靠近像面一边，即要求无畸变目镜中三胶 合透镜组的最后一个透镜从像面往出瞳看时，是一个弯月形的负透镜， 如图3 1 所示。 fy fl r 图3 1 负透镜和正透镜关系图 这样一方面能减小场曲，同时还能增大出瞳距离，加入负透镜以后， 为了减小高级像差，以增加视场，必然要使正透镜组复杂化，因而透镜 组的总厚度增加，为了达到较
13、大的出瞳距离，也必须使负透镜位于靠近 像面的方向。 ( 2 ) 增加正透镜组的数量。为了在投射高和视场角都比较大的情 况下，不致产生过大的高级像差，必须把无畸变目镜中由单个正透镜构 成的接眼透镜用两个透镜组来代替，即在无畸变目镜中再加入一个正透 镜；它们之间应尽量密接，这样一方面有利于减小场曲，同时也使斜光 束在第二个透镜组上的投射高尽可能小。 根据上面分析，可以得到本系统的理想结构，如图3 2 所示。 N哂 八洲 J、 图3 23 D 头盔的理想结构 3 3 用z E M A X 方法求解目镜系统初始结构 在过去的一百多年里，人们一直采用P w 方法来求解光学系统的初 始结构，而没有一种新的
14、设计方法来代替它。这种方法的缺点在于用手 工计算，容易出错，计算量繁重且缺乏效率。本论文采用z E M A x 直接 计算系统的初始结构。 目镜系统由于用人眼接收，成像在无限远( 本系统要求成像在2 米 远处，但是开始设计时，可采用成像在无限远设计) ，因此设计时一般 采用反向设计，即将出瞳作为入瞳。在求解初始结构之前，首先需要在 z E M A X 中输入必需的光学特性： ( 1 ) 在Z E M A x 中的s y s t e m 栏中的G e n e r a l 中输入入瞳直径，为6 n ； ( 2 ) 在z E 4 A X 中的s y s t e m 栏中的F i e l d D a
15、t a 中输入视场；初始阶段， 为了增加计算效率可输入三个视场，分别为0 0 、1 2 5 。和2 5 0 ； ( 3 ) 在Z E M A X 中的s y s t e m 栏中的W a v e l e n g m s 中输入可见光波长， 用F 、D 、C 光代替。将D 光设为计算的基本波长。 在输入完必需的光学特性后，可以开始求解系统的初始结构；在 z E M A x 的透镜编辑表中输入数据，初步设计时物距选择无限远，将第 一个面设为入瞳面，入瞳面到第一个透镜的距离为2 0 m m ；根据无畸变 目镜特点，基本结构是系统中担负主要作用的部分，确定它的结构原则， 一般应使它们尽量不产生或少产生
16、像差，这样一方面校正像差比较容 易，同时高级像差也比较小，因而最后的剩余像差也就比较小，有利于 提高成像质量。目镜中主要校正的单色像差是像散和彗差，因此在基本 结构中应尽量使它不产生或少产生像散和彗差，下面就根据这个原则利 用z E M A x 来进行基本结构参数的确定。 第一透镜对反向光路来说，相当于对无限远物体成像，根据像差理 论知道，当L 牙f 3 且透镜为平凸形状时”，像散和彗差同时为零，因 此将第一透镜第一面半径设为无限大；第二面根据像差理论可以估计设 为5 0 n l r I l ，并同时设为变量：厚度初步定为6 衄，设为变量同时进行厚 度限制；玻璃选择z K 类玻璃的z K 7 。在优化函数里限制焦距为 3 L 萨6 0 m m ，限制像散和彗差同时为零，对别的像差以波前误差来优化。 设置完后进行自动优化，优化后的表面参数见图3 3 ，赛德常数见图3 4 。 图3 3 求解第一透镜后的结构数据 S e i d E
