CN106291923A - 一种矫正眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矫正眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法，该方法在头盔物镜设计中，以与头盔佩戴者眼光学系统具有相同像差的位相板和理想透镜来代替头盔佩戴者眼光学系统，矫正头盔佩戴者眼光学系统的像差，使头盔佩戴者通过头盔，在视网膜上获得的外界信息图像分辨率更高、更清晰，同时该方法还解决了获得头盔佩戴者眼光学系统结构参数的困难。

Description

一种矫正眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法
技术领域
本发明涉及投影式头盔物镜领域，特别是涉及矫正眼光学系统像差的投影式头盔物镜的设计方法。
背景技术
投影式头盔微显示器上呈现的外界信息图像，通过头盔物镜、分光镜和返射型屏后，进入人眼，经过人眼光学系统成像于人眼视网膜上，使人眼可以看见外界信息。因此，投影式头盔微显示器上呈现的外界信息图像要经过头盔物镜和人眼光学系统。首先如果投影式头盔物镜光学系统存在像差，会降低成像质量，也即降低像的分辨率，使像变的模糊，看不清楚。其次，梁俊忠等人的研究表明，人眼光学系统也存在像差，并且对人眼视网膜上的成像质量有很大影响，如人眼光学系统存在的像差可使人眼分辨率由48cycles/deg下降到28cycles/deg，对比敏感度可下降6倍之多。因此，若要在人眼视网膜上得到清晰的外界信息的像，投影式头盔物镜在设计中不仅需要矫正头盔物镜本身的像差，还需要矫正人眼光学系统的像差。但目前投影式头盔物镜在设计过程中，还没有考虑人眼光学系统像差的矫正。
范海英采用眼模型代替人眼光学系统，设计了基于眼模型的投影式头盔物镜，也即矫正了眼模型的像差，但是眼模型的结构参数是众多人眼的统计平均值，不是头盔佩戴者眼光学系统的结构参数，所以眼模型的像差不是头盔佩戴者眼光学系统的像差，这样设计的头盔物镜没有真正对头盔佩戴者眼光学系统的像差进行矫正。在投影式头盔物镜设计中要矫正头盔佩戴者眼光学系统的像差，必须获得头盔佩戴者眼光学系统的结构参数，但是获得实际人眼光学系统结构参数是比较困难的，如目前没有对活体人眼晶状体的结构参数进行检测的相关设备，只能通过角膜地形图仪检测的人眼角膜地形图、BMF-200眼科A/B型超声诊断仪检测的眼轴向各部分长度，以哈特曼-夏克波前传感器测量的眼光学系统波前像差为优化目标，应用光学设计软件对活体人眼晶状体的结构参数进行优化，而要优化出与所测量出的眼光学系统波前像差一致的晶状体结构参数是非常困难的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种矫正头盔佩戴者眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法。该方法在头盔物镜设计中，以与头盔佩戴者眼光学系统具有相同像差的位相板和理想透镜来代替头盔佩戴者眼光学系统，矫正头盔佩戴者眼光学系统的像差，使头盔佩戴者通过头盔，在视网膜上获得的外界信息图像分辨率更高、更清晰；同时该方法还解决了获得头盔佩戴者眼光学系统结构参数的困难。
本发明公开了一种矫正头盔佩戴者眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法，该方法包括投影式头盔物镜、分光镜、返射型屏、代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板和理想透镜，其中位相板具有与头盔佩戴者眼光学系统相同的像差，理想透镜没有像差但具有与头盔佩戴者眼光学系统相同的屈光度，并且位相板与理想透镜相切。
所述投影式头盔物镜光学系统采用适于大视场成像的反摄远系统为投影式头盔物镜的初始结构；该投影式头盔物镜初始结构包括四片透镜L1、L2、L3和L4，透镜L1、L2、L3和L4共轴并且从左向右依次排列，四片透镜中靠近图像源(微显示器)的两片透镜L1和L2、组成第一光具组，第一光具组的光焦度为负，使光线发散，这样靠近图像源(微显示器)的光线视场角（即物方视场角）较大，利于更多的外界信息进入头盔系统；四片透镜中靠近人眼（即靠近代替人眼的位相板和理想透镜）的两片透镜L3和L4组成第二光具组，第二光具组的光焦度为正，使光线会聚，这样靠近人眼的光线视场角（即像方视场角）变小，由于像方视场角越小，光学系统像差越小，因此靠近人眼的光线视场角变小有利于光学系统像差矫正。
所述分光镜与投影式头盔物镜光学系统的光轴成-45°角，即从光轴逆时针转动45°为分光镜的位置。
所述返射型屏置于投影式头盔物镜光学系统所成的投影像之前。
所述代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板和理想透镜，置于投影式头盔物镜出瞳位置，即位相板处于头盔物镜出瞳位置，这样图像源(微显示器)发出的光线经过投影式头盔物镜后，进入代替佩戴者眼光学系统的位相板和理想透镜，然后到达视网膜成像。因此，当图像源(微显示器)显示的外界信息的图像成像在视网膜上时，视网膜上图像既包括了投影式头盔物镜的像差，也包括了佩戴者眼光学系统的像差。而与头盔佩戴者眼光学系统具有相同像差的位相板，可通过现有的哈特曼－夏克波前传感器很容易地测量出的头盔佩戴者眼光学系统的像差得到；应用BMF-200眼科A/B型超声诊断仪检测出头盔佩戴者眼轴向总长度，即为理想透镜的焦距，因为当平行光入射理想透镜时，所成的像应在视网膜上，也即为理想透镜的焦点。应用与头盔佩戴者眼光学系统具有相同像差的位相板和具有与头盔佩戴者眼光学系统相同屈光度的理想透镜代替头盔佩戴者眼光学系统，解决了获得头盔佩戴者眼光学系统结构参数的困难。
本发明在投影式头盔物镜设计过程，将组成投影式头盔物镜的四片共轴透镜L1、L2、L3和L4的前后面的曲率半径、透镜厚度、透镜之间的距离等参数设置为变量；以佩戴者视网膜上得到理想图像为优化目标，即在视网膜上得到的外界信息图像像差最小、分辨率最大为优化目标，对组成投影式头盔物镜的四片共轴透镜L1、L2、L3和L4各参数进行优化。这样图像源(微显示器)发出的光线经过投影式头盔物镜和代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板和理想透镜后，到达视网膜成像，由于位相板具有与头盔佩戴者眼光学系统相同的像差，因此在视网膜上得到的外界信息的图像既矫正了投影式头盔物镜的像差，也矫正了头盔佩戴者眼光学系统的像差。也因此，优化后得到的投影式头盔物镜既矫正了投影式头盔物镜的像差，也矫正了头盔佩戴者眼光学系统的像差。该方法设计的投影式头盔物镜保证了佩戴者视网膜上得到像差最小、分辨率最大的外界信息图像。
附图说明
图1为本发明以眼视网膜理想成像为目标的投影式头盔物镜设计方法示意图。
图2为微显示器上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，60°视场角下视网膜上所成像的调制传递函数（Modulation TransferFunction，MTF）曲线图。
图3为微显示器上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，60°视场角下在视网膜上所成像的场曲图。
图4为微显示器上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜和佩戴者眼光学系统后，60°视场角下在视网膜上所成像的畸变图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种矫正头盔佩戴者眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法包括投影式头盔物镜11、分光镜13、返射型屏15、代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板17和理想透镜18；位相板17具有与头盔佩戴者眼光学系统相同的像差，并且位相板17可通过现有的哈特曼－夏克波前传感器很容易地测量出的头盔佩戴者眼光学系统的像差得到，理想透镜18没有像差但具有与头盔佩戴者眼光学系统相同的屈光度，并且理想透镜18可应用BMF-200眼科A/B型超声诊断仪检测出头盔佩戴者眼轴向总长度，即为理想透镜18的焦距，因为当平行光入射理想透镜18时，所成的像应在视网膜19上，也即为理想透镜18的焦点。
如图1所示，图像源即微显示器1上显示的外界信息图像发出的光线2经过投影式头盔物镜11后，由与光轴12成-45°角（角度的符号与应用光学中的符号规则一致，即以锐角度量，由光轴转到镜面，逆时针为负）放置的半反半透分光镜13反射形成投影像14，返射型屏15置于投影像14之前，则实际上光线2并没有形成投影像14，而是返射型屏15使入射光线2按原路返回，并透过分光镜13到达投影式头盔物镜11的出瞳16处；与头盔佩戴者眼光学系统具有相同像差的位相板17位于出瞳16的位置，具有与头盔佩戴者眼光学系统相同屈光度的理想透镜18与位相板17相切；到达出瞳16的光线2经过位相板17和理想透镜18，将微显示器1上显示的外界信息图像成像于视网膜19上。
如图1所示，投影式头盔物镜11采用适于大视场成像的反摄远系统为初始结构，该投影式头盔物镜11的初始结构包括四片透镜L1、L2、L3和L4，透镜L1、L2、L3和L4共轴并且从左向右依次排列，其中靠近微显示器1的两片透镜L1和L2组成第一光具组，第一光具组的光焦度为负，使光线2发散，这样靠近微显示器1的光线物方视场角较大，利于更多的外界信息进入头盔系统，靠近人眼即靠近代替人眼的位相板17和理想透镜18的两片透镜L3和L4组成第二光具组，第二光具组的光焦度为正，使光线2会聚，这样靠近人眼的光线像方视场角变小，由于视场角越小，光学系统像差越小，因此靠近人眼的像方视场角变小有利于光学系统像差矫正。
如图1所示，在投影式头盔物镜11设计过程，将组成投影式头盔物镜11的透镜L1前表面3和后表面4的曲率半径、L1前表面3和后表面4的距离、透镜L2前表面5和后表面6的曲率半径、L2前表面5和后表面6的距离、透镜L3前表面7和后表面8的曲率半径、L3前表面7和后表面8的距离、透镜L4前表面9和后表面10的曲率半径、L4前表面9和后表面10的距离等参数设为变量，以佩戴者视网膜19上得到理想图像为优化目标，即在视网膜19上得到的外界信息图像的像差最小、分辨率最大为优化目标，对投影式头盔物镜11进行优化。优化后得到的投影式头盔物镜11既矫正了投影式头盔物镜11的像差，也矫正了佩戴者眼光学系统的像差。该方法设计的投影式头盔物镜11保证了佩戴者视网膜19上得到像差最小、分辨率最大的外界信息图像。
表1是按照本发明以实际眼视网膜19理想成像为目标设计的投影式头盔物镜11的实施例。本实施例投影式头盔物镜11的工作波长为可见光，最大视场角为60°，有效焦距为23mm，出瞳直径为10mm，出瞳距离大于25mm。
表1
图2是微显示器1上显示的外界信息图像通过上述实施例投影式头盔物镜11和代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板17和理想透镜18后在视网膜19上所成像的调制传递函数MTF曲线，其横坐标为空间频率，纵坐标为调制度。人眼所需要的最小调制度为0.2，则调制度为0.2时，MTF曲线对应的横坐标为人眼最大分辨率。通常人眼分辨率的平均值为58周期/毫米，图2中调制度为0.2时，60°视场角下视网膜像的最大分辨率到达65周期/毫米，远超过人眼的平均分辨率，这是因为投影式头盔物镜11设计过程对人眼光学系统的像差进行了矫正的结果。
gullstrand-Le给出的人眼在60°视场角下场曲的平均值为0.47mm，畸变的平均值为17.6％。图3中微显示器1上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜11和代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板17和理想透镜18后，60°视场角下视网膜19上所成像的场曲为0.07mm，远小于人眼的平均场曲。图4中微显示器1上显示的外界信息图像通过本发明实施例投影式头盔物镜17和代替头盔佩戴者眼光学系统的位相板17和理想透镜18后，60°视场角下在视网膜19上所成像的畸变为4％，远小于人眼的平均畸变。

Claims (2)

1.一种矫正眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法，其特征在于：以与头盔佩戴者眼光学系统具有相同像差的位相板和理想透镜来代替头盔佩戴者眼光学系统，位相板由哈特曼－夏克波前传感器测量出的头盔佩戴者眼光学系统的像差得到，理想透镜的焦距为由BMF-200眼科A/B型超声诊断仪检测出的头盔佩戴者眼轴向总长度；位相板与理想透镜相切；位相板置于投影式头盔物镜出瞳位置。
2.如权利要求1所述一种矫正眼光学系统像差的投影式头盔物镜设计方法，其特征在于：投影式头盔物镜包括四片共轴透镜，并将组成投影式头盔物镜的四片透镜前后面的曲率半径、透镜厚度、透镜之间的距离等参数设置为变量，以头盔佩戴者视网膜上得到理想图像为优化目标，即在视网膜上得到的外界信息图像像差最小、分辨率最大为优化目标，对投影式头盔物镜进行优化设计。
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