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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
。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。优化设计了具
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
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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
且其表层涂有铝反射层。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
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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
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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。
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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。