50°视场角投影式头盔光学系统设计及逆反射屏研究

　　0　引言

　　传统的基于目镜观察系统的头盔可以分为两类:“直接看”(Direct-view head-Mounted Displays,HMDs)和“穿透看”(See-Through Head-MountedDisplays)[1-4].HMDs是一种完全浸入式头盔系统,佩带者只看到图像源提供的信息,由于视频获取分辨率和处理器处理能力的限制,损失了许多丰富的外界细微信息;STHMDs是一种半浸入式头盔系统,佩带者通过一个半透半反的组合镜不仅可以看到图像源提供的信息还可看到外界真实景物,在一定程度上克服了外界物理信息的损失,但存在视频虚拟景物与外界真实景物之间的“闭塞”问题.考虑到人眼与目镜系统出瞳的匹配和适合不同的佩带者,要求目镜系统出瞳直径大于8 mm,出瞳距离大于20 mm[5-6],这意味着满足要求的目镜系统设计难,体积大,畸变大,重量重.

　　为克服基于目镜系统以上缺点,Fergason[7]提出了投影式头盔系统(Head-Mounted ProjectiveDisplays,HMPDs)的概念, HMPDs舍弃了笨重的目镜系统,采用一个投影物镜把微显示器展现的外界视频投影到一个置于真实空间的“逆反射屏”上成像,头盔佩戴者不仅能看到投影像还可直视前方“逆反射屏”之间外界的真实场景,通过这种方式很好解决了视频虚拟景物与外界真实景物之间的“闭塞”问题.投影物镜的使用可以在满足大视场(50°~70°)、小畸变(小于4%)的情况下,在设计上比较容易满足对出瞳大小和出瞳距离的要求.逆反射屏幕的弯曲和变形不影响投影像的质量,因此可以把投影屏幕做成实际需要的形状,如护目镜形状,甚至可以利用手套的背面作为投影屏幕[8-9].

　　本文设计了一款适用于医疗培训用的投影式头盔的物镜系统,视场角50°,口径10mm,长度12mm,重量5 g,畸变小于0.7%,对0.9英寸的微显示器分辨率达到了超高分辨模式SXGA.实验测得3M公司生产的三种逆反射材料的逆反射特点,确定了适合大视场投影屏幕的逆反射材料,并定量分析了它对成像质量的影响.

　　1　投影式头盔光学系统

　　图1是投影式头盔光学系统原理图.投影物镜形成的物体像被与光轴成45°放置的分光棱镜反射到投影屏幕上,投影屏幕由特殊的逆反射材料做成,逆反射材料的特点使得光线沿原路返回,人眼在图中出瞳位置不仅可以观察到投影像,并能观察到处于分光棱镜与投影屏幕之间的外界真实景物.系统出瞳是投影物镜出瞳经过分光棱镜所成的像,它的大小由投影物镜决定,位置由分光棱镜和投影物镜的间距决定.逆反射投影屏幕可以放在投影像的前面和后面,放置位置对观察图像质量将产生较大的影响.

　　2　投影物镜的设计