基于LCoS的头配显示器光学系统研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 21 卷　第 5 期 2006 年 10 月 液 　晶 　与 　显 　示 Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol121 ,No15 Oct . ,2006 文章编号 :100722780 (2006) 0520478205 基于 L Co S 的头配显示器光学系统研究 张　文1 ,2 ,安　凯1 ,2 ,冯亚云1 ,2 ,凌志华1 (1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 激发态物理国家重点实验室 ,吉林 长春　130033 ; 2. 中国科学院 研究生院 ,北京　100039) 摘 　要 : 头盔式显示器的迅猛发展对系统重量和成像质量方面提出了更高的要求。文章采 用 LCoS 作为头配显示器的显示器件 ,同时利用衍射光学元件独特的负色散特性和以其任意 的相位分布实现对光波面的任意相位调制的特点 ,在改进的 Erfle 目镜的基础上引入二元衍 射面 ,台阶深度为 0. 142μm , 总的环带数为 253 , 最小特征尺寸为 3. 31μm。优化了具 有 30 °视场 ,30 mm 有效焦距 ,8 mm 瞳径 , 25 mm 出瞳距离的目镜系统 ,其 M TF 值在全视场 内整体上大于 0. 25 ,并且重量缩小为原 Erfle 目镜的 1/ 8 ,大大减轻 HMD 光学系统重量 ,并 提高了成像质量。 关 　键 　词 : LCoS ;头配显示器 ;二元衍射面 ;光学设计 中图分类号 : TN873. 93 ; O432. 2 　　　文献标识码 : A 　　收稿日期 : 2006204207 ; 修订日期 : 2006205226 　　基金项目 : 国家“973”资助项目 (No. 2003CB314704) 1 　引　　言 随着信息化社会的飞速发展 ,各种小型、轻 量、廉价及携带方便的个人用显示器成为当前显 示行业发展的焦点。由于头配显示器 ( Head Mounted Display ,简称 HMD)具有大画面、便携、 不须手持、可实现在现实视场上同时看到需要的 数据以及体验视觉图像变化带来的高临场感等特 点 ,广泛应用于军事、娱乐、医疗、工程和模拟训练 等领域[1 ] 。头配显示器是由头盔显示器 ( Helmet Mounted Display) 发展而来的 ,它主要是利用光 学系统将微显示器发出的光投影在人的眼前成放 大的虚像。L CoS(Liquid Crystal on Silicon)显示 因具有高像素密度、高分辨率、高开口率、高亮度、 轻薄及成本低等优点[2 ,3 ] ,成为发展 HMD 的首选 显示器件。在采用 L CoS 技术的 HMD 中 ,光学 系统成为决定观看视角、成像质量、系统体积及重 量最为重要的因素[4 ] 。由于衍射光学元件可实现 对光波面的任意相位调制 ,在改善系统成像质量、 减小系统体积和重量以及降低成本等方面具有传 统光学元件无可比拟的优势[5～7 ] ,所以本文在介 绍 L CoS 技术的基础上引入衍射光学元件优化设 计了一种新的 HMD 目镜光学系统 ,采用 L Co S 技术和这种光学系统将大大提高 HMD 的成像质 量 ,减小系统重量。 2 　L CoS 技术 HMD 中的显示器件经历了从小型 CR T (阴 极射线管)到 L CD (液晶显示) ,再到 L CoS 的发展 过程。L CoS 是一种新型的微显示技术 ,它采用 半导体 CMOS 集成电路芯片作为反射式 L CD 的 基片 , CMOS 芯片和玻璃基板间夹有液晶薄层 , 控制电路置于显示像素的后面 ,可以提高开口率 , 从而实现更大的光输出。L CoS 面板结构如图 1 所示。 图 1 　LCoS 面板结构图 Fig. 1 　Structure diagram of LCoS panel © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 5 期 张 　文 ,等 :基于 LCoS 的头配显示器光学系统研究 479　　 液晶材料位于 CMOS 基板与 ITO 玻璃板之 间 ,并有隔垫物支撑使液晶盒保持一定的液晶层 间隙及盒厚的均匀性 ,取向层可以确保液晶分子 取向一致。控制电路包含在 CMOS 基板之上 ,并 且其层涂有铝反射层。玻璃基板用以保护液晶 和稳定液晶的位置[8 ,9 ] 。在上下二层基板中间散 布隔垫物用来加以隔绝后 ,再填充液晶于基板间 形成光阀 ,由电路的开关驱动液晶分子的旋转 ,从 而决定画面的明与暗。 在构成 HMD 的 L CoS 微显示器中所采用的 是扭曲向列相液晶材料。当电压加在液晶分子上 时 ,液晶分子会发生翻转。由光源发出的光束首 先通过一个起偏器以使光波传播保持特定的偏振 方向 ,然后在液晶介质中光的偏振方向随着液晶 分子的扭曲方向的变化而变化 ,接着光束又经过 L CoS 反射表面的定向反射 ,再穿过一个检偏器 射出。L CoS 的这种反射式工作方式为 HMD 提 供了高清晰度、高分辨力、高对比度的像源。同时 采用 L CoS 也使得 HMD 在保证像质的同时耗电 量低 ,价格便宜。单片式投影用 L Co S 的光学引 擎如图 2 所示。 图 2 　单片式 LCoS 光学引擎 Fig. 2 　Optical engine based on a single LCoS 3 　HMD 光学系统 3 . 1 　目镜光学系统设计 HMD 的光学系统主要由目镜系统和中继光 学系统组成。目镜光学系统是 HMD 中扩大观看 视角、缩小系统体积和减小系统重量方面很重要 的部分。HMD 中的目镜光学系统是典型的近目 系统 ,但又不同于显微镜和望远镜中的目镜 ,它要 求有较大的出瞳距离和出瞳直径。人眼的瞳孔直 径一般在 2～6 mm ,为保证使用者能始终看到图 像 , HMD 中目镜的出瞳直径不应小于这个范围。 另外为满足某些配带眼镜或防毒面具的使用者 , 目镜光学系统的出瞳距离不应小于 20 mm。目 镜的视场同其焦距及像源直径有关。像源直径确 定后 ,目镜视场越大 ,焦距就越短 ,从而系统的相 对孔径就越大 ,系统就越难设计[10～12 ] 。综合考虑 HMD 的应用要求和设计难度 ,这里确定目镜的 设计参数视场角为 30 °,有效焦距为 30 mm ,出瞳 直径为 8 mm ,出瞳距离为 25 mm。 传统的 Erfle 目镜系统是使用较多的接目系 统。它是由两个双胶合透镜和一个双凸透镜组 成 ,如图 3 所示 ,它的视场角为 30 °,有效焦距为 30 mm ,其中第 1 个双胶合透镜和双凸透镜负责 光焦度分配 , 第 2 个双胶合透镜用来校正场曲和 增加出瞳距离。由于该目镜仅玻璃材料的总厚度 就为 70 mm , 重为 391 g ,使用它无法把 HMD 的 重量控制在合适的范围内 ,所以这里以上述 Erfle 目镜为基础 ,在保证有效焦距、出瞳直径和视场角 不变的情况下 ,增大出瞳距离 ,进行如下的优化 : (1)采用两个单透镜来分别取代 Erfle 目镜 中靠近出瞳的双胶合透镜和中间的双凸透镜 ,这 样可以在减轻系统重量的同时 ,以两单透镜的凸 面曲率半径和焦距作为变量 ,在优化函数中加入 有效焦距 ,保证有效焦距不变 ,进行一级特征优 化。优化时考虑到场曲等单色像差的变化 ,分别 给有效焦距设定适当的加权。 (2)采用一个凹面镜来取代另一个双胶合透 镜 ,并以其两个曲面曲率半径和后焦距作为变量 , 同样在保证有效焦距不变的情况下进行一级特征 优化。 (3)由于二元光学面一般需要在平面基底上 加工成型 ,所以在中间的单透镜的平面处引入衍 射面[13 ] ,并进行消色差优化以及校正系统垂轴像 差和畸变等单色像差的高级优化。后面对衍射面 的光学特性进行了较为详细的讨论。 系统中的折射元件均选用 K9 玻璃。采用 图 3 　Erfle 目镜系统 Fig. 3 　2D layout of Erfle eyepiece © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 480　　 液 　　晶 　　与 　　显 　　示 第 21 卷 Zemax 光学设计软件进行设计和优化之后的结 构如图 4 (a)所示 ,其中衍射面位于第二个透镜的 平面处。图 4 ( b) 给出了该目镜系统在视场角为 0 °、15 °、21 °和 30 °对应的调制传递函数 (M TF) 曲线 ,从图中可以看到 ,轴上点以及视场角在 15 ° 以内的点传递函数非常好 ,在 40 lp/ mm 时轴上 点接近 0. 7 ,15 °处的点也在 0. 6 以上 ;大视场的 传递函数同大多数目视系统一样下降较快 ,但整 体上大于 0. 25 ,满足一般应用中 HMD 的分辨率 要求。同时该目镜的重量减小到 50 g 左右 ,大约 为原 Erfle 目镜的 1/ 8 ,显著地减轻了系统整体 重量。 图 4 　(a) 改进后的目镜系统 ; ( b) 改进后目镜系统的 M TF 曲线。 Fig. 4 　(a) 2D layout of the new eyepiece ; (b) the modu2 lation t ransfer function ( M TF) of the new eye2 piece1 3. 2 　采用 LCoS 的 HMD 光学系统 HMD 不仅要求光学系统具有大视场、大出 瞳直径和大出瞳距离 ,同时光学系统还必须同微 显示器 L Co S 的尺寸相匹配。由于微显示器件尺 寸越小 ,成本就越低。当前生产的 L CoS 大多小 于 2. 54 cm。对于仅由目镜构成的光学系统中 , 在视场角一定的情况下 ,微显示器的尺寸越小 ,对 应的目镜焦距就越小 ,否则两者无法相匹配。如 果简单缩小焦距使其满足匹配要求 ,则出瞳直径 和出瞳距离都将大大减小 ; 若两者仍能满足 HMD 要求 ,则系统的结构和相差将变得不能接 受。因此 ,为解决目镜与小尺寸的 L Co S 相匹配 的问题 ,这里我们引入一中继系统 ,与目镜共同构 成 HMD 光学系统。 由于 L CoS 采用反射方式来调节由光源发射 的光信号 ,所以需要采用一个如图 5 所示的光学 系统。它是由目镜系统 ( Eyepiece) 、场镜 ( Field lens) 、中继系统 ( Relay system) 、L CoS 以及光源 等组成。其中中继系统由一反射镜和一个偏振光 束分光器 ( Polarization Beam Split ter ,PBS)构成。 反射镜一方面可以对 L CoS 的图像进行适当的放 大 ,使其能够同后接的目镜相匹配 ,同时也可以给 L CoS 微显示器提供放置照明光源的空间。PBS 是由一套两个屋脊形的棱镜构成 ,该棱镜带有一 极化涂层并装配成立方体状 ,其任务是将入射光 分成平行和垂直偏振的光 ,然后将其导引至下游 的 L CoS 晶片上。光源放置在 PBS 的上方。凹 面反射镜提供适当的光焦度 ,对 L CoS 微显示器 显示的图像进行一定程度的放大 ,放大倍率由 L CoS 的尺寸和目镜系统的物方视场来决定。连 接目镜和中继光学系统时在目镜的焦平面附近加 入了一场镜 ,其目的是用于收集边缘视场的成像 光束 ,同时减小球面反射镜的孔径 ,并改善整个系 统的垂轴像差[14 ] 。 图 5 　采用 LCoS HMD 光学系统 Fig. 5 　Schematic diagram of optical system used in HMD with LCoS 3. 3 　二元衍射面的设计和实现 二元光学元件是一种纯相位衍射光学元件 , 为得到高衍射效率 ,一般做成多相位阶数的浮雕 结构。一般使用 N 个模版可得到 L = 2 N 个相位 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 5 期 张 　文 ,等 :基于 LCoS 的头配显示器光学系统研究 481　　 阶数 ,其衍射效率为[15 ] :η= sin (π/ L ) / (π/ L ) 2 。 计算可知 , 当 L = 2 , 4 , 8 , 16 时 , 分别有η = 40. 5 %、81 %、94. 9 %和 98. 6 %。 一般情况下 ,二元光学元件多在单色光下使 用 ,但正因它是一个色散元件 ,具有不同于常规元 件的色散特性 ,故可在折射光学系统中同时校正 球差和色差 ,构成混合光学系统 ,以常规折射元件 的曲面提供大部分的聚焦功能 ,再利用表面上的 浮雕相位波带结构校正像差。 设计中的衍射面位于第二个透镜的平面处 , 采用 ZEMAX 光学设计软件中具有旋转对称相 位分布的 Binary optic 2 面型 ,其对应的相位分布 函数为[16 ] : φ( r) =α1 r2 +α2 r4 +α3 r6 +α4 r8 ⋯ 其中 r 为衍射面的归一化半径坐标。α1 为二次相 位系数 ,一般用来校正系统的色差 ,后面的非球面 项用来校正系统的高级像差。由上面计算得知 , 刻蚀阶数为 8 时 ,衍射效率已达 95 % ,能够满足 要求。这里只取前 4 项 ,上式可表示为 : φ( r) =α1 r2 +α2 r4 +α3 r6 +α4 r8 最大的环带数 Kmax表示为 : Kmax = Int α1 r20 +α2 r40 +α3 r60 +α4 r80 2π 其中 r0 为衍射面的归一化半径 ,即衍射面的半径 与设计过程中 ZEMAX 软件中归一化半径 R 的 比值。当刻蚀台阶数为 8 时 ,每个台阶的深度为 : d =λd / 8 ( n - 1) 其中 n 为基底材料的折射率 ,λd 为工作波段的中 心波长。 本文中选用的透镜材料为 K9 玻璃 , n = 1. 516 30 ,工作波段为可见光波段 ,λd = 587 nm。 设计时 ZEMAX 中的归一化半径为 100 mm ,衍 射面的半径为 6. 7 mm ,所以衍射面的归一化半 径为 0. 067。衍射面的参数α1 ,α2 ,α3 和α4 分别为 - 1. 091 62 ×106 , 3. 293 04 ×108 , - 6. 476 32 × 1010和 5. 132 75 ×1012 。经过计算得到 ,台阶深度 为 0. 142μm ,总的环带数为 253 ,当刻蚀台阶数 为 8 时 ,最小特征尺寸为 3. 31μm ,这对现有的制 作工艺来说并不是问题。 4 　结　　论 现代的 HMD 要求光学系统在具备大视场、 大出瞳直径和大出瞳距离的基础上尽量减小系统 的重量和体积。本文利用了衍射器件的负色散和 可对波面进行任意整形的特点 ,在传统光学系统 中引入衍射面 ,设计了基于 L CoS 的 HMD 目镜 光学系统。该目镜像差良好 ,在视场、出瞳直径和 出瞳距离方面满足 HMD 显示的要求 ,同时结构 大大简化 ,质量和尺寸比传统的 Erfle 目镜大大 减小。中继反射镜可以实现小尺寸的 L CoS 像与 后面的目镜相匹配 ,并且为 L CoS 微显示器提供 了放置照明光源的空间。在引入中继反射镜后和 目镜光学系统构成 HMD 的光学系统 ,能满足大 多数 L CoS 头盔显示的需要。 参 　考　文 　献 : [ 1 ] 张慧娟. 用于头盔显示器的折/ 衍混合全塑料目镜 [J ] . 中国激光 ,2005 ,32 (6) :8562859. 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Changchun I nstit ute of Optics , Fine Mechanics and Physics , Chinese A cadem y of Sciences , Changchun　130033 , China; 2 . Graduate School of Chinese A cadem y of Sciences , B ei j ing 　100039 , China) Abstract As the head mounted display has been progressing at a rapid rate in recent years , t he demand for system of high performance and light weight is st ronger and st ronger . In t his paper , L CoS is used as t he display element in HMD for it s great developing potential for it s low co st and high performances in optical efficiency. The diff ractive optical element , with t he negative dispersive characteristic and t he random p hase dist ributing to realize random p hase modulation for wave2f ront , is also used in our design and its depth of the step , the number of total periods and the minimum character size are 0. 142μm , 253μm and 3. 31μm , respectively. An eyepiece of 40 °field2of2view ( FOV) , 30 mm effective focal lengt h , 8 mm exit p upil size and 25 mm exit p upil is designed , wit h M TF value > 0. 25 in t he f ull field of view and t he weight is reduced to 1/ 8 in comparison wit h t he Erfle eyepiece , which conduces to a head mounted display of light weight and high performance. Key words :L CoS ; head mounted display ; binary optical element ; optical design 作者简介 :张文 (1981 - ) ,男 ,湖北随州人 ,硕士研究生 ,研究方向为液晶物理与显示器件。