以眼视网膜理想成像为目标的投影式头盔物镜设计方法与流程

本发明涉及光学领域，特别是涉及在实际眼视网膜得到好的成像质量的投影式头盔物镜设计方法。

背景技术：

头盔系统在工业生产、显微技术、医疗、计算机娱乐、掌中电脑、虚拟现实、立体显示、掌中电脑、模拟训练等领域有重要的应用，这要求头盔系统成像质量高、结构轻便紧凑和佩戴者便利舒适，因此用于头盔显示器的光学系统不仅应具有高分辨率、大视场、大出瞳直径和大出瞳距离等光学性能，而且在结构上要简化轻便。对于以目镜光学系统为基础的直视头盔显示器和透视头盔显示器来说，大视场、大出瞳距离和大出瞳直径,意味着大的重量、大体积和大畸变，即使采用二元光学元件、自由曲面也不能从根本上解决头盔系统的高性能和轻小化问题。二十世纪末发展起来的投影式头盔显示器(headmounted projective displays,HMPDs)与目镜系统相比具有质量轻、体积小、大视场、低畸变、大出瞳距离和大出瞳直径、真实物体和虚拟物体正确“闭塞”、深度可感知、虚拟信息可限制在特定空间、多用户环境下互不干扰等特点，使它展示出巨大的应用价值。

头盔显示器将外界信息提供给人眼，最终由人眼接收，在视网膜上成像，然后经过视神经上传到视觉中枢，在大脑皮层进行信息的加工、整理和应用。所以，头盔显示器成像质量应该由人眼视网膜上的像质进行评价，因而，头盔显示器光学系统设计应该考虑人眼光学系统的成像情况。人们在头盔光学系统设计时，多数都是由人眼的入瞳(即头盔系统的出瞳)至图像源(微显示器)进行光线追迹，最后的像质评价在微显示器空间迸行。Y.Ha首先进行了头盔光学系统在视空间的评价，他用理想透镜模拟人眼对头盔光学系统进行视空间评价；赵顺龙仍然是将人眼简化为理想透镜对“眼睛转动”情况下头盔光学系统进行视空间评价；范海英采用Hwey-Lan Liou提出的眼模型代替人眼，对头盔系统在视空间进行评价，并设计了基于眼模型的投影式头盔物镜。Hwey-Lan Liou眼模型系统参数是众多人眼的平均值，基于眼模型设计的头盔系统与佩带者的个体眼光学系统并不匹配，头盔系统在视空间的评价结果也与实际不符。这样设计的头盔物镜没有真正考虑头盔佩戴者眼光学系统的像差，则佩戴者眼光学系统的像差会降低视网膜图像的分辨率，降低图像的清晰度。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种以实际人眼光学系统理想成像为目标的投影式头盔物镜设计方法。该方法在头盔物镜设计中，考虑了头盔佩戴者眼光学系统的像差情况，并加以矫正，使头盔佩戴者通过头盔在视网膜上获得的外界信息图像分辨率更高、更清晰。

本发明公开了以实际眼视网膜理想成像为目标的投影式头盔物镜设计方法，该方法包括投影式头盔物镜光学系统、分光镜、反射型屏和头盔佩戴者实际眼光学系统。

所述投影式头盔物镜光学系统采用适于大视场成像的反摄远系统为投影式头盔物镜的初始结构；该投影式头盔物镜初始结构包括7片透镜；7片透镜中靠近图像源(微显示器)的三片透镜组成第一光具组，第一光具组的光焦度为负，使光线发散，这样靠近图像源(微显示器)的光线视场角较大，利于更多的外界信息进入头盔系统；7片透镜中靠近人眼的四片透镜组成第二光具组，第二光具组的光焦度为正，使光线会聚，这样靠近人眼的光线视场角变小，由于视场角越小，光学系统像差越小，因此靠近人眼的光线视场角变小有利于光学系统像差矫正。

所述分光镜与投影式头盔物镜光学系统的光轴成-45°角，即从光轴逆时针转动45°为分光镜的位置。

所述反射型屏置于投影式头盔物镜光学系统所成的投影像之前。

所述佩戴者实际眼光学系统包括角膜、前房、晶状体、玻璃体和视网膜；眼光学系统置于投影式头盔物镜出瞳位置，即人眼光学系统第一面，也就是角膜前表面处于头盔物镜出瞳位置，这样图像源(微显示器)发出的光线经过投影式头盔物镜后，进入佩戴者眼光学系统，然后到达视网膜成像。因此，当图像源(微显示器)显示的外界信息的图像成像在视网膜上时，视网膜上图像既包括了投影式头盔物镜的像差，也包括了佩戴者眼光学系统的像差。

本发明在投影式头盔物镜设计过程，将组成投影式头盔物镜的7片透镜前后面的曲率半径、透镜厚度、透镜之间的距离中的部分或全部参数设置为变量；以佩戴者视网膜上得到理想图像为优化目标，即在视网膜上得到的外界信息图像像差最小、分辨率最大为优化目标，对投影式头盔物镜进行优化。这样图像源(微显示器)发出的光线经过投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，到达视网膜成像，因此在视网膜上得到的外界信息的图像既矫正了投影式头盔物镜的像差，也矫正了佩戴者眼光学系统的像差。优化后得到的投影式头盔物镜既矫正了投影式头盔物镜的像差，也矫正了佩戴者眼光学系统的像差。该方法设计的投影式头盔物镜保证了佩戴者视网膜上得到像差最小、分辨率最大的外界信息图像。

附图说明

图1为本发明以眼视网膜理想成像为目标的投影式头盔物镜设计方法示意图。

图2为微显示器上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，66°视场角下视网膜上所成像的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线图。

图3为微显示器上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，66°视场角下在视网膜上所成像的场曲图。

图4为微显示器上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，66°视场角下在视网膜上所成像的畸变图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，图像源即微显示器1上显示的外界信息图像发出的光线2经过投影式头盔物镜17后，由与光轴18成-45°角(角度的符号与应用光学中的符号规则一致，即以锐角度量，由光轴转到镜面，逆时针为负)放置的半反半透分光镜19反射形成投影像20，返射型屏21置于投影像20之前，则实际上光线没有形成投影像20，而是返射型屏21使入射光线2按原路返回，并透过分光镜19到达投影式头盔物镜17的出瞳22处；佩戴者实际眼光学系统29位于出瞳22的位置，即人眼光学系统29的第一面，也就是角膜前表面23位于出瞳22的位置；到达出瞳22的光线2进入佩戴者实际眼光学系统29，经过角膜24、前房25、晶状体26、玻璃体27，最后到达视网膜28，并将微显示器1上显示的外界信息图像成像于视网膜28上。

如图1所示，投影式头盔物镜17采用适于大视场成像的反摄远系统为初始结构；该投影式头盔物镜17的初始结构包括7片透镜，分别为L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7；其中靠近微显示器1的三片透镜L1、L2和L3组成第一光具组，第一光具组的光焦度为负，使光线发散，这样靠近微显示器1的物方视场角较大，利于更多的外界信息进入头盔系统；靠近人眼光学系统29的四片透镜L4、L5、L6和L7组成第二光具组，第二光具组的光焦度为正，使光线会聚，这样靠近人眼光学系统29的像方视场角变小，由于视场角越小，光学系统像差越小，因此靠近人眼光学系统29的像方视场角变小有利于光学系统像差矫正。

在投影式头盔物镜17设计过程，将组成投影式头盔物镜17的透镜L1前表面3和后表面4的曲率半径、L1前表面3和后表面4的距离、透镜L2前表面5和后表面6的曲率半径、L2前表面5和后表面6的距离、透镜L3前表面7和后表面8的曲率半径、L3前表面7和后表面8的距离、透镜L4前表面9和后表面10的曲率半径、L4前表面9和后表面10的距离、透镜L5前表面11和后表面12的曲率半径、L5前表面11和后表面12的距离、透镜L6前表面13和后表面14的曲率半径、L6前表面13和后表面14的距离、透镜L7前表面15和后表面16的曲率半径、L7前表面15和后表面16的距离等参数中的几个或全部参数为变量，以佩戴者视网膜28上得到理想图像为优化目标，即在视网膜28上得到的外界信息图像像差最小、分辨率最大为优化目标，对投影式头盔物镜17进行优化。优化后得到的投影式头盔物镜17既矫正了投影式头盔物镜17的像差，也矫正了佩戴者眼光学系统29的像差。该方法设计的投影式头盔物镜17保证了佩戴者视网膜28上得到像差最小、分辨率最大的外界信息图像。

表1是按照本发明以实际眼视网膜28理想成像为目标设计的投影式头盔物镜17的实施例。本实施例投影式头盔物镜17的工作波长为可见光，最大视场角为66°，有效焦距为24mm，出瞳直径为10mm，出瞳距离大于25mm。

表1

图2是微显示器1上显示的外界信息图像通过上述实施例投影式头盔物镜17和佩戴者眼光学系统29后在视网膜28上所成像的调制传递函数MTF曲线，其横坐标为空间频率，纵坐标为调制度。人眼所需要的最小调制度为0.2，则调制度为0.2时，MTF曲线对应的横坐标为人眼最大分辨率。人眼分辨率的平均值为58cycles/mm，图2中调制度为0.2时，66°大视场角下视网膜像的最大分辨率到达71cycles/mm，远超过人眼的平均分辨率，这是因为投影式头盔物镜17设计过程对人眼光学系统29的像差进行了矫正的结果。

gullstrand-Le给出的人眼在66°视场角下场曲的平均值为0.49mm，畸变的平均值为21.0％。图3中微显示器1上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜17和佩戴者眼光学系统29后，66°视场角下视网膜上所成像的场曲为0.25mm，远小于人眼的平均场曲。图4中微显示器1上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜17和佩戴者眼光学系统29后，66°视场角下在视网膜上所成像的畸变为2.4％，远小于人眼的平均畸变。