穿透式视频眼镜设计

图 1 为穿透式显示光学原理图，图像源的信息经中继光学系统放大后投射在半透半反组合镜上反射进入人眼，同时前方外部景象也可以透过组合镜进入人眼，即人眼通过组合镜可以同时看到图像源和外部景象信息。它是一种半浸入式显示，信息是双通道的，也被称为增强现实显示。

光学系统存在两种结构：pupil forming 式和 non-pupil forming 式，如图 2 所示。Pupil forming 式光学系统由三部分组成：中继光学系统、目镜系统和光学组合器。图像源发出的光线经过中继透镜组在目镜系统的焦平面上成像，中间像经目镜系统的准直放大后变为各个视场的平行光，这些平行光由光学组合器反射进入人眼。图像源发出的光线经过中继透镜组，可以减小光学系统口径；场镜的作用是减小边缘视场主光线在目镜上的投射高度，这样有利于增大视频眼镜的视场。 Non- pupil forming 式 光 学 系 统 与 pupilforming 式相比减少了中继光学系统，因而结构更加简单紧凑、重量更加轻，但也存在大视场条件下像差校正困难的不足。

微显示器是图像源信息的直接输出器件，它的规格参数直接影响着光学系统的设计。微型显示器尺寸受到光学系统的视场、出瞳距离、出瞳直径、焦距等参数的制约[9]。大尺寸的微显示器可以获得大的视场，但是尺寸过大会造成光学系统尺寸和重量增加，而且大视场像差矫正难度加大，设计的是一种穿透式视频眼镜显示器，其目的是在不影响使用者观察外部景象的情况下，能让使用者获得一些想要的信息，例如GPS位置信息、短信、电话等，设计中最重要的目标是使系统结构紧凑、体积小、重量轻，因此本设计选择小尺寸显示器。硅基液晶(LCOS)在单一微型显示器上提供高品质全彩显示，且尺寸小、分辨率高、亮度高，但是 LCOS 是工作在反射模式下，因此需要额外的照明系统。有机发光二极管(OLED)作为自发光器件可以省去照明系统，但是目前小尺寸 OLED 的分辨率低、亮度低，而且价格昂贵，现阶段还不适合穿透式视频眼镜显示器应用。因此本设计选择 Himax公司生产的 0.29”CS-LCOS作为视频眼镜微显示器，其分辨率为 852 pixel×640 pixel，像素大小为 7.5 mm。

 

穿透式视频眼镜是双通道的，使用者通过它能够同时看到计算机产生的虚拟图像和外界景象，因而不易产生眩晕，在这类光学双通道微显示器中，需要将图像源传来的虚拟图像信息与外界景象的信息相融合，这部分任务由光学系统来实现。性能良好、结构紧凑、小型化的穿透式视频眼镜，对光学系统的设计提出了更高的挑战，传统的光学结构已经不能很好地满足它的需求，需要探索新的设计方法。目前，实现穿透式显示的光学组合器主要包括：45°半透半反镜波导，回射屏技术，离轴合成器，自由曲面棱镜，全息波导等，但它们存在很多不足。