引用本文
全薇, 郝晓明, 孙雅东, 柏葆华, 王禹亭. 基于实际眼结构的个性化投影式头盔物镜研制[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(4): 1291-1297
QUAN Wei, HAO Xiao-ming, SUN Ya-dong, BAI Bao-hua, WANG Yu-ting. Development of individual objective lens for head-mounted projective display based on optical system of actual human eye[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(4): 1291-1297  
Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170500
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基于实际眼结构的个性化投影式头盔物镜研制
全薇, 郝晓明, 孙雅东, 柏葆华, 王禹亭
吉林大学 通信工程学院,长春 130012
通讯作者:孙雅东(1969-),女,副教授.研究方向:信息光学.E-mail:sunyadong@jlu.edu.cn

作者简介:全薇(1964-),女,教授,博士.研究方向:信息光学.E-mail:nkquanwei@163.com

基金:国家自然科学基金项目(60777011); 吉林省自然科学基金项目(2014010119JC,20170101059JC).
摘要

利用实际人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据和眼轴向深度数据建立了个体人眼光学系统。然后以能够在实际人眼视网膜上理想成像为优化目标,设计和研制了既能矫正物镜本身像差又能矫正实际人眼光学系统像差的个性化68°大视场投影式头盔物镜,给出了头盔佩带者视网膜上的成像质量,其中畸变仅为2%,横向色差为10.0 μm,分辨率为50 lp/mm,在没有采用衍射元件的情况下,加工装配后头盔物镜的总质量小于18 g,能够满足现代化高性能、大视场、轻型化头盔的要求。

关键词: 信息处理技术; 投影式头盔显示器; 视空间评价; 眼光学系统; 人眼像差
中图分类号:TN927;O439 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)04-1291-07
Development of individual objective lens for head-mounted projective display based on optical system of actual human eye
QUAN Wei, HAO Xiao-ming, SUN Ya-dong, BAI Bao-hua, WANG Yu-ting
College of Communication Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China
Abstract

The optical system of actual human eye was established by the wave-front aberrations, corneal topography and ocular axial length. With the goal of ideal imaging at the retina of actual human eye, an individual objective lens for had-mounted projective display with 68° large field was developed, which could correct not only the aberrations of the objective lens, but also that of human eye. The imaging quality on the living retina was analyzed. It was shown that the distortion is 2%, the lateral color aberration 10.0 μm, and the retina image resolution is 50 pl/mm. The individual objective lens is less than 18g weight after production and assembly without diffractive-optical element, which can meet the demands of modern head-mounted display in high performance, large field of view and light weight structure.

Keyword: information processing technology; head-mounted projective display; optical assessment in visual space; optical system of human eye; aberrations of human eye
0 引 言

随着信息化的发展, 头盔系统在工业生产、显微技术、医疗、模拟训练等领域起着越来越重要的作用[1, 2], 特别是头盔系统以引导雷达、激光与红外装置、电视摄像等信息, 已成为空军、装甲部队和炮兵的先进装备[3]。用于军事装备的头盔不仅要结构轻便紧凑和佩戴便利舒适, 还要求头盔佩戴者能获得分辨率更高和更大视场的外界信息图像, 以便佩戴者更好地完成瞄准射击和大范围观察的军事任务[4]。20世纪末发展起来的投影式头盔显示器(Head-mounted projective displays, HMPDs)与传统目镜头盔系统相比具有质量轻、体积小、大视场、低畸变、真实物体和虚拟物体正确“ 闭塞” 、深度可感知、虚拟信息可限制在特定空间、多用户环境下互不干扰等优点, 使它展示出巨大的应用价值[5, 6, 7, 8, 9, 10]。

外界信息通过头盔显示器和眼光学系统成像于视网膜上, 被视细胞所接收, 而后通过视神经传输到大脑视中枢, 因此, 头盔显示器性能的优劣应由视网膜上的成像质量进行评价。而视网膜上的成像质量会受到人眼光学系统像差的影响。Liang等[11]的研究表明, 人眼光学系统存在的像差可使人眼分辨率由48 cycles/(° )下降到28 cycles/(° ), 对比敏感度可下降6倍之多。因此, 在头盔显示器成像系统设计中不仅要矫正自身的像差, 还应矫正人眼光学系统的像差。目前, 无论是目镜式头盔还是投影式头盔系统, 在设计过程中均未考虑佩戴者眼光学系统像差的影响, 如果在设计中同时考虑佩戴者眼像差的矫正, 将使视网膜上的成像质量得到很大的改善。

传统头盔光学系统设计时, 大都是由人眼的入瞳(即头盔系统的出瞳)至图像源(微显示器)进行光线追迹, 在微显示器空间进行成像质量评价。Ha等[12]用理想透镜模拟人眼, 率先进行了头盔系统在视空间的评价研究。赵顺龙等[13]同样将人眼简化为理想透镜, 研究了“ 眼球转动” 情况下头盔系统的视空间评价。范海英等[14]用Hwey-Lan Liou眼模型代替人眼, 设计了视场角为45° 的投影式头盔物镜, 并在视空间对头盔系统进行性能评价。Hwey-Lan Liou眼模型的参数是众多人眼的统计平均值, 与佩带者眼光学系统眼球参数并不一致, 因而设计中不能对佩带者的像差进行有效矫正。

本文首先根据个体人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据和眼轴向深度数据建立个体人眼光学系统, 然后以实际人眼视网膜上理想成像为目标, 设计并研制了既矫正物镜本身像差又矫正实际人眼光学系统像差的个性化68° 大视场投影式头盔物镜, 给出了头盔佩带者视网膜上的成像质量, 其中畸变小于2%, 横向色差小于10.0 μ m, 分辨率达到50 pl/mm。加工装配后的头盔物镜的重量小于18 g, 满足现代化高性能、大视场、轻型化头盔的要求。

1 个体人眼光学系统的建立

人眼光学系统如图1所示, 包括角膜、晶状体和视网膜, 角膜与晶状体之间是前房, 晶状体与视网膜之间是玻璃体。角膜结构参数可从角膜地形图获得, 眼轴向各部分长度可由眼科超声波测量仪进行测量。晶状体的结构参数较难直接检测, 作者利用人眼的波前像差数据, 通过ZEMAX光学设计软件的优化间接获得。

图1 人眼光学系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of optical system of human eye

以qw右眼为例说明个体人眼光学系统建立过程。图2中(a)和(b)是由眼前节分析仪检测的qw右眼角膜前、后表面地形图, 图中给出了角膜厚度、角膜参考球面曲率半径和角膜表面各点与参考面高度差。选择ZEMAX软件中Odd Asphere面形, 对角膜前、后表面地形图数据进行拟合。图2中(c)和(d)分别是拟合后, 以参考球面半径归一化的角膜前、后表面面型。图3是采用眼科A/B型超声仪检测的qw右眼轴向各部分长度。图4是应用Hartmann-Shack波前传感器测量的qw右眼波前像差Zernike多项式3~65项系数。

图2 qw右眼角膜前后表面地形图和表面面型Fig.2 Corneal topography and surface type of anterior and posterior for qw right eye

将图2和图3给出的角膜面型、眼轴向各部分长度和光学常数输入到ZEMAX软件中, 晶状体面形设为“ Zernike Fringe Sag Surface” , 并将其系数设为变量, 以图4给出的qw右眼波前像差数据为系统优化目标, 对晶状体前、后表面进行优化。显然, 这样优化设计的个体眼光学系统的波前像差与实际人眼一致。图5是包括角膜和晶状体的qw右眼实际光学系统结构。

图3 qw右眼球轴向各部分长度Fig.3 Ocular axial lengths of all parts of qw right eye

图4 qw右眼波前像差Zernike多项式3~65项系数Fig.4 Zernike coefficients of 3~65 terms for qw right eye

图5 qw右眼实际光学系统结构Fig.5 Real optical system structure of qw right eye

2 基于实际眼光学系统个性化大视场投影式头盔物镜研制
2.1 投影式头盔成像原理

图6是投影式头盔成像原理示意图, 微显示器呈现的图像经投影物镜和与光轴成45° 角放置的分光镜成像于投影像位置, 返射型材料屏幕置于投影像前或后, 利用返射型屏幕使入射光线按原路返回的特性, 使投影像原路返回, 并透过分光镜进入位于物镜出瞳处的人眼。

图6 投影式头盔显示器原理示意图Fig.6 Principle schematic diagram of head-mounted projective display

2.2 投影式头盔物镜设计指标

微显示器:选择有机发光二极管(Organic light-emitting diode, OLED), OLED有自发光特性, 无需背光灯, 响应时间短(可小于1 ms), 低温特性好(零下40 ℃可正常显示), 使用寿命长达几十万小时, 制造工艺简单, 成本低。OLED的显示模式为SXGA(分辨率为1280× 1024), 尺寸为1.1″, 其Nyquist 频率为30.5 pl/mm。

出瞳直径:投影式头盔成像系统的出瞳应与人眼入瞳相匹配, 低照度时人眼瞳孔较大, 为6~8 mm, 本文投影式头盔物镜出瞳直径为8 mm。

出瞳距离:人眼入瞳位于头盔物镜出瞳处, 实现出瞳与入瞳匹配。考虑眼结构和睫毛等因素, 出瞳距离为20~26 mm。

视场角:虽然人眼最敏感的视场只有6° ~8° , 但入射人眼的光线视场越大, 虚拟现实系统沉浸感越强, 并能减少头部运动和搜索时间, 减轻眼疲劳。目前投影式头盔物镜最大视场为文献[8]所设计的62° 视场[8], 本文研制的头盔物镜最大视场为68° 。投影式头盔物镜设计参数和成像特性要求如下:显示模式为SXGA(1280× 1024); OLED尺寸为1.1″; 视场为68° ; 出瞳直径为8 mm; 出瞳距离为20~26 mm; 场曲小于等于2 mm; 畸变小于3%; 横向色差小于等于10 μ m; Nyquist频率(30.5 lp/mm)处, MTF大于0.35。

2.3 个性化投影式头盔物镜研制

考虑到头盔物镜需要大视场角, 因此采用5片镜组成的反摄远系统为初始结构, 如图7所示。微显示器是像面, 投影像是物面。对于传统的投影式头盔物镜的设计, 只需依据微显示器面上的理想成像来优化系统即可。但本文是在视空间对头盔物镜进行评价, 需要对图7所示的系统进行翻转, 即将微显示器作为物面, 而与之相衔接的人眼光学系统的视网膜作为像面。然后, 以视网膜理想成像为优化目标, 对头盔物镜系统进行优化。

图7 投影式头盔物镜初始结构Fig. 7 Original layout of head-mounted projective display

为了说明头盔系统中, 人眼光学系统像差对视网膜成像质量的影响, 首先以理想透镜来代替实际人眼, 进行头盔物镜设计, 如图8所示。理想透镜焦距与实际人眼屈光度一致, 即平行光入射人眼成像于视网膜上, 则理想透镜焦距为qw右眼球的总长度23.84 mm, 理想透镜与视网膜的距离也为23.84 mm。然后, 以视网膜理想成像为目标, 对投影物镜进行优化设计。

图8 代替人眼的理想透镜与投影式头盔物镜组合系统Fig.8 Optical system composed of objective lens and perfect lens instead of human eyeball

优化后投影物镜的出瞳直径为8 mm, 出瞳距离为24 mm, 最大视场68° , 系统质量为13.5 g。图9是投影物镜在视网膜上的成像质量, 在68° 视场, 场曲为2 mm, 畸变小于1%, 横向色差为6.9 μ m, 在空间频率30.5 lp/mm处MTF为0.6, 在50 lp/mm处MTF接近0.4。所设计的投影物镜满足2.2节设计指标。

图9 理想透镜代替人眼设计的投影物镜 视网膜上成像质量Fig.9 Image quality of projection lens on retina when a perfect lens is adopted instead of human eye

图8中用理想透镜代替人眼所设计的头盔物镜没有考虑人眼光学系统像差的影响, 因而, 图9不是头盔佩戴者视网膜上实际获得的图像质量。为得到实际的图像质量, 用图5所示的qw右眼实际光学系统代换图8中的理想透镜, 如图10所示。微显示器上的图像经上述设计的头盔物镜和头盔佩戴者实际眼光学系统, 在视网膜上获得的实际成像质量如图11所示。与图9相比, 成像质量有较大下降, 在68° 视场角时, 场曲由1.1 mm增大到4.4 mm, 畸变由小于1%增大到19%, 横向色差由6.9 μ m增大到376.6 μ m, MTF曲线也变得较低。其中, 畸变和MTF曲线与人眼光学系统本身的像差相近。由众多人眼结构参数统计平均获得的Hwey-Lan Liou眼模型, 在68° 视场时, 畸变为22%, MTF为0.3时, 最大空间频率仅为8 lp/mm。横向色差的增大主要是由人眼高阶像差, 特别是高阶球差引起的, 仅四阶球差就使横向色差增大170.5 μ m。可见, 用理想透镜代替实际人眼光学系统设计的头盔物镜对人眼像差没有矫正, 而眼光学系统像差对轴外点的成像质量影响较大, 如果对其进行矫正, 视网膜上的图像质量会有很大改善。

图10 qw右眼实际光学系统与投影式头盔物镜组合系统Fig.10 Optical system composed of qw’ s real human eye and head-mounted projective lens

图11 投影式头盔物镜在视网膜上的成像质量Fig.11 Image quality of objective lens for head-mounted projective display on retina

在包含人眼实际光学系统的图10中, 以实际人眼视网膜理想成像为目标, 对投影物镜重新优化, 设计出矫正人眼光学系统像差的个性化头盔物镜。微显示器上的图像经过个性化头盔物镜和眼光学系统, 在佩戴者视网膜上获得的实际图像质量如图12所示, 场曲由图11的4.4 mm减小到0.3 mm, 畸变由19%减小到2%, 横向色差由376.6 μ m减小到10.0 μ m, 边缘视场的MTF, 在空间频率30.5 lp/mm处为0.6, 在50 lp/mm处为0.4, 分辨率达到50 lp/mm。可见, 对于边缘视场, 个性化头盔物镜在视网膜上的成像质量有显著提高。

图12 矫正眼光学系统像差的个性化投影式头盔物镜在视网膜上的成像质量Fig.12 Image quality of individual objective lens for head- mounted projective display on retina

图13是加工装配后的qw个性化投影式头盔物镜。镜筒材料采用密度较小的ABS树脂, 密度为1.04 g/cm3, 装配后头每个镜头的总质量为18 g。

图13 加工装配后的qw个性化投影式头盔物镜Fig.13 Individual objective lens of qw for head-mounted projective display after production and assembly

3 结束语

本文首先利用实际人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据、眼轴向深度数据建立了个体人眼光学系统, 然后基于个体人眼光学系统, 针对军事装备头盔更高分辨率和更大视场的需求, 设计和研制了个性化的投影式头盔物镜系统。设计中以个体眼视网膜上的成像质量作为评价标准, 设计结果表明, 外界信息经头盔系统和人眼光学系统后在视网膜上所成的像, 畸变为2%, 横向色差为10.0 μ m, 分辨率为50 lp/mm, 满足所选择的OLED的SXGA显示模式。所研制的投影式头盔物镜最大视场角达68° , 装配后每个镜头的总质量小于18 g, 满足现代化头盔的高性能、大视场、轻型化要求。

The authors have declared that no competing interests exist.

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