视网膜投影显示系统设计(可编辑)

视网膜投影显示系统(可编辑) 视网膜投影显示系统设计 第32卷第2期 应用光学 V01(32No(2 of Mar(2011 2011年3月 JournalAppliedOptics 文章编号:1002―2082(201i)02―0222―04 视网膜投影显示系统设计 杨 震，郭忠达，阳志强 (西安工业大学陕西省薄膜技术与光学重点实验室。陕西西安710032) 摘要:针对传统透射型头盔显示器在眼睛调节焦距时，二维虚拟信息在视网膜上无法清晰成 像问题，提出一种新型的透射型头盔显示器。采用麦克斯韦观察法原理，用微型LCD结合激光 直接将图像成像到视网膜上，成像面独立于眼睛的调节，其目的是眼睛在调节过程中，图像总是 清晰的。讨论了透射型头盔显示器显示原理，根据系统参数选择合适的初始结构，设计了光学 系统，根据系统整体结构对混合现实的需要，加入半透半反结构，通过ZE软件对系统进行 优化。最后对系统功能做了验证，结果明系统轴上视场MTF达到了衍射极限。 关键词:光学系统设计;视网膜投影显示;透射型头盔显示器;麦克斯 韦观察法 中图分类号:TN873;TB851;TH703文献标志码:A ofretinalection Design proj displaysystem YANGZhen。GUO Zhong―da，YangZhi―qiang (ShaanxiProvinceLabofThinFilms and Test，Xi’an Key TechnologyOptical 710032，China) Xi’an TechnologicalUniversity， head―mounted aneffective Abstract:Conventional see-through displays(HMDs)provide formixed fromtWO―dimensionalvirtualinformationarenotclear capability reality，butimages insuch ordertoovercomethis onretinawhenareaccommodated eyes systems(In problem，a onwellianview novel HMDwas based see-through proposed principle， whichdirectly a ofthe ontotheuser’SretinawithaminiatureLCDandlaser projectedimages independent accommodationof meansthat are clear accommodation(The eyes(This imagesalwaysduring were ofHMDswasdiscussed，the andoverallstructure concept opticalsystem display functionsweretestedandverified，andthe was with designed，the opticalsystemoptimized ZE(TheresultsshowthatMTFvaluereachesthediffractionlimit( Keywords:opticaldesign;retinalprojection displays， lianview wel 引言 息。当二维虚拟信息被成像到无 穷远位置时，观 近些年来头盔显示器已经获得了很大的应 察者在观察无穷远物体时能 同时清晰地观察到虚 用fvz]。其中一种特殊的类别叫做透射型头盔显示拟信息。然而，当观察者注视近处物体时，虚拟信 器，它提供一个有效的混合现实的功能。通过使 息将变的模糊[3’4】。因此，这种传统的透射型头盔 用透射型头盔显示器，观察者能同时看到真实世 显示器有一些固定的缺点，即当眼睛调节时，虚拟 界和虚拟世界。一些传统的透射型头盔显示器得 图像将不能成像到视网膜上，使虚拟图像变的模 到发展，它们能显示二维虚拟信息，比如，文本信 糊。为了克服这个问题，本文提出了一种新式透 收稿日期:2010-08―18;修回日期:2010-09-21 作者简介:杨震(1986一)(男(陕西西安人，硕士研究生，主要从事光学设计方面的研究工作( 986l 63(com E-mail:yangzhenl29@1 万方数据 应用光学2011，32(2)杨震。等:视网膜投影显示系统设计 ??223?? 射型头盔显示器。这种头盔显示器有非常长的焦 且透过水晶体中心。 深。视网膜聚焦成像将独立于眼睛调节。 LCD或DMD 1 以麦克斯韦观察法理论为基础的 头盔显示器 1(1传统头盔显示器的缺点 头盔显示器的一个重要作用是由空间光强调 节器产生一个可辨别的图像，通过透射型头盔显 示器，将图像成像到视网膜上。同时，外部世界也 圈1 麦克斯韦观察法原理 能清晰可见。在传统的头盔显示器中已经确定了 view ofwellian Fig(1Principle 空间光强调制的虚拟图像的焦点。然而眼睛的调 节是为了清晰成像真实物体。因此，显示物体和 2 新型头盔显示器的系统结构及功 虚拟物体不可能被稳定地观察，因为观察者只能 能验证 去调节它们中的一个物体。 2(1 新型头盔显示器的系统结构 为了清晰观察到物体，眼睛必须确保物体上 新型透射型头盔显示器采用麦克斯韦观察法 某一点发出的所有光线在视网膜上成像为一点。 原理，使图像直接成像到视网膜上‘争"，图2为此系 通过调节眼睛的焦距，使物体清晰成像。因此，严 统的结构示意图。由视网膜投影显示系统的原理 格地说，在眼睛前方确定的物体有唯一的焦距。 可知[引，需要有激光扩束准直系统获得平行光，作 当我们眼睛从前方这个确定的距离离开时，视网 为空间光调制器的背景光源，使其出射平行光。 膜所成的图像将变的模糊。例如，在调节过程中， 整个光学系统中，采用激光作为照明光源，LCD作 一个40岁的成年人可以在眼前20cm到无穷远距 为空间光调制器，激光通过LCD时会产生衍射现 离之间聚焦物体，相对应的水晶体的调节范围在5 象。因此在投影系统前需加入滤波系统。为了滤 光焦度。虚拟信息在一个确定的观察距离被显 除高次衍射光波。系统采用商业激光器作为光 示。因此，只要眼睛调节到另一个距离来观察真 源，并用10倍的扩束镜来扩束准直光源。扩束后 实物体，虚拟信息将变的模糊。 1(2麦克斯韦观察法的原理 的光源是一准直的 圆形激光柬，作为空间光强调 麦克斯韦观察法是新型头盔显示器的关键技 制器(SLM)的背景光源。我们采用LCD作为空 术[5]。在麦克斯韦观察法中，平行光被直接会聚到 间光强调制器。在LCD上的图像通过透镜会聚到 瞳孔中心，并且直接投影到视网膜上。这个技术常 瞳孔中心，直接投影到视网膜上。 常被用作检测人眼观察系统的敏感度。图1说明了 麦克斯韦观察法的原理。平行光是由空间光强调制 q]丰母斗州嗍 。一个像素点发出一 器发出，比如，LCD或者DMD 束笔直的光束，从空间光强调制器中发出的所有直 圈2视网膜投影显示系统结构