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文|娱秘探
编辑|娱秘探
前言
现代化的头盔显示是一种光、机、电、算多学科融合的技术，头盔显示光学系统作为头盔显示设备的核心部分， 其光学性能的好坏将直接影响头盔显示设备的显示效果。
头盔显示技术大致可分为两个方向，单通道的虚拟现实技术和双通道的增强现实技术。
本文以双通道显示光学系统设计为核心，从光学方案的选取、光学模型的搭建，到系统的优化设计，最后完成系统的像质评价。
头盔显示系统方案构型
轴耦合反射方案凭借着离轴曲面反射的优势，可以获得优良的成像质量和全彩显示。
但是耦合器中有较多的倾斜、偏心镜片，导致系统体积重量较大，增加了制造成本，影响佩戴舒适度，这种方案多在*用军**机载头盔上使用。
自由曲面棱镜方案利用自由曲面校正像差的优势， 达到和离轴耦合反射方案几乎同等的成像质量，并且具备较小的体积，在成像质量要求较高的场景中是一种不错的选择。
几何波导、表面浮雕光栅和体全息光栅的视场角差别不大且可以做到很薄，但是受限于目前的设计方法和加工工艺，会有较多的杂散光、成像不均匀、色散严重，能量利用率不高。
几何光学方案虽然体积相对较大， 但是其成像质量更好，像质相对稳定。
对于需要良好的全彩显示，体积要求不是特别敏感的民用头盔显示器而言，自由曲面棱镜方案是一个更好的选择。
LCOS和DLP显示器的显示亮度较高，但 是其光效和体积制约了头盔显示器的高性能、小型化的发展趋势。
Micro OLED具备较低的光学复杂度，较小的体积、更高的光效和对比度，在民用头盔显示器中是一个相对不错的选择。
基于双棱镜结构的双通道头显光学系统设计
头盔显示系统作为目视系统中的一类，属于无焦像空间系统，为了方便系统的设计和评价，依据光路可逆原理，采用聚焦模式逆光路设计。
目前基于自由曲面棱镜方案的头盔显示器如下图所示， 利用光的折射和全反射原理，采用半透半反棱镜与补偿棱镜胶合的方式实现双通道。
这种结构形式的投影通道，仅由单个自由曲面棱镜构成， 受限于单一材料，无法实现可见光波段色差校正。
对于部分设计方案，需要二次加工，即先注塑成型自由曲面棱镜，再在A面上刻蚀衍射面，加工工艺复杂，且良率较低。
辅助棱镜和半透半反棱镜均采用注塑成型的方式，一次性加工完成，简化系统的加工工艺，提高加工良率，具体设计结构如下图所示。
在透射通道中，与投影光路共用一部分半透半反棱镜， 故需增加补偿棱镜，来补偿半透半反棱镜引起的透视畸变。
由于透视光路仅存在畸变，补偿棱镜可选择与半透半反棱镜一样的材料，双通道头盔显示器作为目视光学仪器，视场角是衡量其性能的一个重要指标。
但是视场角也并不是越大越好，而是根据系统的应用需求，再权衡系统分辨率和结构紧凑性的一个综合选择结果。
该头盔显示器，其主要是为用户提供文字、图片和视频信息，故系统的分辨率是设计的核心目标， 视场角与头盔显示器的分辨率应满足如下关系：
当图像源确定后，视场角越大，单位视场内的像元数就越少，分辨率就越低， 故在确保高分辨的前提下，视场角和图像源的的合理匹配尤为重要。
为了得到一个合适的视场角和高分辨的光学系统，结合人眼的角分辨率δ，则头盔显示器的角分辨率应满足：
光学系统优化控制
设计的双通道系统，为离轴非旋转对称的自由曲面棱镜系统，其相对传统的旋转对称共轴系统而言。
边界条件不仅要考虑元件的中心、边缘厚度，还要约束表面的离轴和倾斜量， 这使得离轴非旋转对称系统的结构控制变得异常复杂， 针对双通道系统，进行如下结构约束：
总体结构尺寸，只是规定了一个大致的范围，需要结合优化过程，实时做出合理调整，控制双棱镜的局部结构，使光线都约束在自由曲面棱镜内部。
通过控制上下视场边缘光线表面交点对构成的直线斜率，来间接控制离轴表面的倾斜， 用自定义宏程序实现点线距的控制，具体宏程序如下：
约束上下视场边缘光线的全局Y坐标，确保离轴系统在优化过程中整体结构稳定，控制光线第一次入射S5面的入射角，使其达到全反射条件。
在实际优化时，约束条件远远不止以上列出的5类， 并且约束的数值范围也会根据实际情况及时调整。
双棱镜结构形式的双通道头盔显示系统，在不同表面上的孔径类型具有不一致性，且不同孔径具有离轴和偏心特性。
由于离轴和偏心带来的高阶离轴矢量像差，使得常规的高斯求积算法不在适用， 需要快速的进行光线追迹。
采用高斯求积光瞳采样算法，采样的环数和臂数依据系统的像差阶次逐步增加，直至评价函数不在发生明显变化。
通过结构约束方法，构建平面初始结构，在优化过程中，通过对离轴矢量像差的分析，采用逐步迭代的方法，如下图所示。
经历从平面到球面再到自由曲面的转换， 逐步提高光瞳采样数量、视场数量、视场大小、出瞳直径、自由曲面的阶次。
先优化投影光路，然后将投影光路的S5和S6面固定，增加S7面，优化透射光路。
设计结果与像质评价
整体结构如下图所示，聚焦模式下的投影光路采用双棱镜结构，双棱镜选用不同的材料，其中辅助棱镜选用折射率较大、阿贝数较小的EP7000。
半透半反棱镜选用折射率较小、阿贝数较大的K26R， 两种材料均为耐热性好、机械性能优良、密度低的塑料，注塑成型的过程中良率较高。
无焦模式下的透射光路采用补偿棱镜与半透半反棱镜胶合的方式，补偿棱镜主要是用来补偿透射光路与投影光路共用部分产生的畸变，故材料选择和半透半反棱镜一样材料K26R。
双通道系统的MTF曲线如下图所示，在投影光路中，设计时采用的图像源单个像元大小为8.2μm，依据奈奎斯特采样定律得出光学系统的截止频率为61lp/mm。
在截止频率处，当出瞳直径为8.5mm时，中心视场大于0.3，边缘视场大于0.2，当出瞳直径为3mm时，中心视场大于0.5，边缘视场大于0.3，满足高分辨头盔显示系统的设计要求。
在透射光路中，系统为无焦模式，人眼作为接收系统时的最小分辨角为0.017°， 则类比奈奎斯特采样定律，在无焦模式下的MTF截止频率为30cyc/deg。
在截止频率处，当出瞳直径为8.5mm时，中心视场大于0.5，边缘视场大于0.2，当出瞳直径为3mm时，中心视场大于0.55，边缘视场大于0.4，满足目视系统设计要求。
下图为双通道头盔显示系统的网格畸变图。
双通道系统通过卷积， 具有点扩散函数阵列的光源位图进行的成像模拟， 该模拟过程考虑了光学系统的衍射效应、几何像差、相对照度等。
在投影光路中，在全视场范围内相对照度一致、对比度明显、无色差，真正实现了全彩显示，在透射光路中，整体像质均匀良好。
当眼球转动或佩戴者运动姿态变化，导致瞳孔中心与设计光轴中心相对位置发生变化时，所观察到的像质必然会受到影响。
下图为双通道头盔显示系统， 在人眼瞳孔中心与设计出瞳孔径中心相对位置， 发生变化时的示意图。
图中点a、b、c、d、e、f、g、h、i为瞳孔中心相对出瞳孔径中心的偏离位置，出瞳孔径为设计值8.5mm，以人眼瞳孔直径3mm为参考，进行像质评价。
当系统的瞳孔中心与设计出瞳孔径中心完全重合时， 绘出双通道头盔显示系统的RMS二维视场图 。
在投影光路中，最大RMS光斑只出现在水平边缘视场，对整体视觉效果影响不大，在透射光路中，全视场范围内最大RMS波前差，满足目视系统设计要求。
瞳孔中心与设计的出瞳孔径中心相对位置发生偏离时，双通道系统的平均RMS光斑半径在一个像元8.2μm左右，平均RMS波前差在0.25λ以内。
投影光路和透射光路反映出了双通道头盔显示系统的一个共同像质特性， 即全视场全孔径像质关于系统的y轴对称瞳孔越靠近出瞳孔径中心，像质越好。
整体像质表现出，上孔径像质优于下孔径像质。
基于自由曲面的公差分析及技术对比
光学系统在加工、装配过程中不可避免的会引入各类公差，设计的离轴非旋转对称自由曲面系统，在面型公差这一项，无法直接分析。
其他公差比如厚度、间隔、偏心、倾斜、折射率和阿贝数可用常规方法模拟分析， 进行自由曲面面型公差分析，拟合出本系统的四个自由曲面面型。
系统的其他旋转对称面型和装配公差按照的常规方法进行公差分析，最终经多次迭代拟合，得到公差分配结果。
依据公差分配用评价方法，得到公差分析结果，虽然 引入加工公差和装配公差使系统像质有所下降。
但是双通道平均MTF依然有70%的样本概率大于0.25，公差分析的结果满足目视系统加工要求。
设计1采用离轴折反加耦合镜的方案，不可避免自身体积庞大、装调困难的问题，设计2采用离轴两反的方案， 难以设计出较大的视场，且分辨率不高。
设计3采用单个自由曲面棱镜的方案，采用二次加工刻蚀衍射面的方式，增加了工艺复杂度，本次的设计创新性的采用双自由曲面棱镜结构。
一次性注塑完成，取消了衍射面的二次加工，不仅确保了成像性能优良、结构紧凑的应用需求， 而且简化了工艺复杂度，使大规模的批量化生产成为了可能。
笔者观点
笔者认为，通过建立双自由曲面棱镜结构模型，取代了现有单个自由曲面棱镜加衍射面的结构，简化了加工工艺，实现了全彩显示。
与同类型的头盔显示系统进行了技术对比，提出的双棱镜结构， 满足头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求。
双通道显示光学系统的这一创新设计不仅在技术上有着重要意义，也在推动光学领域的实际应用和产业化上迈出了重要一步。
参考文献
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