什么是目镜式头盔显示系统 目镜式头盔显示系统原理

目镜式头盔显示系统原理是将小型二维显示器所产生的影像藉由光学系统放大、拉远。放大的效果等效于视场角的扩大，并通常将虚拟图像拉远至人眼前侧3∼5m。另外，由于左右眼往往各用一个显示通道，左右眼通道显示具有一定视差的图像，用户能够获得深度感觉。头盔显示器主要由微显示元件和光学系统组成。微显示元件的关键性能参数有分辨率和刷新速度。前者指所能显示的像素的多少，后者表示显示元件更新图像的快慢。头盔显示系统采用的微显示器件主要有液晶显示器(LCD)、硅基液晶显示器(LCoS)和有机发光二极管(OLED)。

光学系统的关键参数有视场角、出瞳距离(设计人眼位置到最近镜片的距离)和出瞳直径(人眼位于出瞳直径范围内能看见完整画面)。通常，能够良好佩戴的头盔系统，出瞳距离应大于10mm，而出瞳直径至少4mm。更大的出瞳距离和出瞳直径将会让用户更容易佩戴。

头盔显示系统的分类方法多样。考虑到光学系统是配合显示器作用的，不同尺寸的显示器，其配套的光学系统结构形式也会有差别。据此，将头盔显示器划分成使用微显示器(通常0.3英寸到0.8英寸)的头盔系统和使用中等大小显示器(通常3.5英寸到5.5英寸)的头盔系统。

早期的头盔显示系统采用微显示器，通过球面镜系统成像获得虚拟图像。由于球面镜系统校正像差的能力较弱，需要的镜片数目较多，并且系统往往具有比较小的视场角。举一个典型例子，6片式的球面系统，经过精心优化设计后可以提供52^◦视场角，其出瞳距离和出瞳直径分别为19mm和8mm^[1]。为了减小镜片数目，同时又保持或者提高光学性能，非球面和衍射元件也应用到了头盔显示器中^[2∼6]。在光学设计中，衍射面和非球面具有相似的作用，其校正像差的能力强于球面系统。

自由曲面棱镜式头盔最早由Okuyama和Yamazaki提出^[7]，其微显示器发射的光线通过折射进入这个楔形的棱镜后，发生一次全内反射和一次反射后透射出棱镜表面，进入人眼。从而单片自由曲面元件产生了4个有效的光学面。又由于自由曲面出众的像差校正能力，自由曲面棱镜式头盔第一次仅用一片光学元件就实现了良好的头盔显示效果，同时又保证了系统的轻小型特性。Cheng等^[8]对自由曲面棱镜系统进行再设计，如图1所示，并通过像质自动平衡算法实现53.5^◦的大视场角与1.875的小F，这些参数远优于同时期的其他自由曲面棱镜系统(见表1)，大大提升了显示效果。使用中等尺寸显示器的头盔显示器在最近几年随着LCD与OLED显示屏分辨率的显著提升而普及。这种头盔显示器的特点在于可以借助手机屏幕作为显示器。而智能手机本身就是具有运算、处理和交互一定功能的设备，使用其作为头盔显示系统的主要组成部分可以极大地降低成本。此外，从光学设计的角度出发，使用较大尺寸的显示器意味着光路中光线的偏转角相对较小，光学系统可以相对简单，见图2的对比。

目前的使用中等尺寸显示器的头盔系统往往只需采用单片球面透镜或者非球面透镜就能实现良好的显示效果，视场角可以达到90^◦甚至更大。最早将中等尺寸显示器头盔成功推向市场的是美国的Oculus公司，近些年来这种类型的头盔显示设备成为消费级虚拟现实显示器的主流产品。对于这类头盔目镜的设计，大视场角会导致镜片元件中心厚度的增大。为了避免这一点，Wearalitysky利用Fresnel透镜减小镜片厚度，实现150^◦的超大视场。不同结构形式的头盔显示器的参数参见表2。目前，约束该类型头盔显示设备的关键因素在于显示器(手机屏)分辨率的不足，在具有大视场角的头盔中往往能观察到网格状的像素结构。

王涌天, 程德文, 许晨. 虚拟现实光学显示技术. 中国科学: 信息科学, 2016, 46: 1694–1710, doi: 10.1360/N112016-00247