頭戴顯示器目視光學系統的基本參數

頭戴顯示器是一種佩戴在頭上的 ，類似于眼鏡的一種小型顯示裝置，其光學系統可以將微型顯示裝置輸出的圖像經過處理進行放大并成像在佩戴者人眼上，它的主要組成是：微型圖像源，光學元件和結構固定件。它是VR，AR和MR的關鍵設備和載體。在醫療，航天，教育，工業生產，娛樂等領域中具有至關重要的意義和廣闊的應用前景。

用于頭戴顯示器的光學系統相對于其他光學系統有一些特別之處。它需要佩戴在人眼上，圖像信息通過系統最終傳輸進入人眼，所以對系統的體積、重量、成像質量的要求較為嚴格。且不同的頭戴顯示器所運用的領域不同，導致其最終結構型式也可能完全不同。

所以在設計頭戴顯示器目視光學系統時，需要考慮眾多因素，除了上面所敘述的一些基本像差和結構型式外，還必須要考慮很多其他因素。如：出瞳直徑、出瞳距離、瞳距、視場角、畸變、調制傳遞函數 MTF、雙目像差等。今天對這些設計參數為大家進行簡單的介紹。

1，出瞳直徑

出瞳直徑是光線經過目鏡匯聚后，在出瞳位置形成并投射到瞳孔上的光斑的直徑。

2，出瞳距離

出瞳距離指的是光學系統的最后一個面與出瞳位置的距離，在 VR、 AR光學系統中，出瞳位置一般指的是人眼瞳孔的位置。使用者在使用時應把眼睛對準出瞳位置，否則可能會出現因視場丟失導致觀察的圖像不完全的現象。所以在設計這類光學系統時，需要設置足夠長的出瞳距離。

3，視場角

視場角指的是人眼在觀察顯示器圖像時的張角，在設計頭戴顯示器光學系統時，視場角設計的越大，沉浸的體驗感就越強烈，但是越大的視場角也會帶來一系列問題。

4，調制傳遞函數MTF

在對光學系統成像質量進行評價和分析時，調制傳遞函數MTF是一個非常重要的指標。通過 MTF可以相對準確、全面、定量地判斷光學系統因衍射和像差影響的成像質量的變化，它采用像平面對比度和物平面對比度的比值來描述光學系統的成像質量。在光學系統設計時，MTF是設計者的一個重要參考標準，不同的光學系統在不同的要求下的MTF的設計指標都是不同的，設計者需要根據不同的情況綜合考慮并確定MTF值。

5，雙目瞳距

雙目瞳距指的是人眼的兩個瞳孔中心的水平距離，設計者在設計時，需要考慮在頭戴顯示器中左右兩個系統的出瞳距離是否與人眼瞳距相吻合的問題。當使用者的雙眼距離與光學系統瞳距不匹配時，可能會存在一部分光線因為被遮擋而無法進入人眼，導致視場丟失，這會對使用者的體驗帶來很大困擾。

6，雙目合像視差

頭戴顯示器中有一部分雙目系統是通過結構件把左右兩個單目系統連接起來，所以使用者在佩戴頭戴顯示器時，實際上是左右眼各觀察一個圖像。為了符合人眼生理特性，兩個單目系統的圖像需要在垂直和旋轉方向重合，在水平方向部分重合。當雙目圖像不完全重合時，會出現“雙目競爭”現象，影響使用者的佩戴體驗，嚴重的可能會引起使用者產生眩暈現象 。雙目圖像的偏差被稱為雙目合像視差，偏差越大，“雙目競爭”程度越明顯。另外，雙目視差理論也常被用于測量距離，廣泛運用于航天、機器人等領域。

審核編輯：湯梓紅