随身看显示系统的光路

　　由于随身看显示系统所用显示器件很小，为了实现一个大屏、舒适的显示效果，必须用一套光路将微显示器放大。其放大原理即通过光路将微显示器显示的图像放大置于人眼的明视距离。从而形成一个大的虚像图示。
　　
　　可以实现的光路系统，一般可以分为同轴光路系统和离轴光路系统两大类。典型的设计方案以下例为代表。
　　
　　1．目镜式放大光路系统的同轴设计。
　　
　　2．自由曲面内反射镜的离轴设计。
　　
　　下面将具体介绍
　　
　　1．同轴式目镜式放大光路系统
　　
　　其原理类似望远镜的目镜，如下图所示，由3～5片透镜组成。
　　
　　这种光路设计，由于采用了同轴对称的凸透镜系统，透镜的设计和加工都比较简单，可以实现较大放大张角的效果，但是为了减小像差，不得不适当增加透镜数量，延长光路长度，因此，其系统的长度大，体积大，用于随身看的头盔显示，显得笨重。但当用于军事用途等场合，由于其置于头盔上，相对于厚重的头盔可以不必过于计较。　因此，这种结构，还被广泛采用。

　　
　　2．离轴式自由曲面内反射镜的光路系统
　　
　　这是一种非常适合随身看显示系统近眼观看的极有发展前景的离轴式光路系统，下图是其用于随身看显示系统时的一个典型设计示例。

 

　　这种光路系统的最大优点是由于轴上光的长度与光学系统大小无关，因此可以将光路多次折叠，从而使光学系统简洁，小巧，实现光学系统的微型化。而且，由于采用了自由曲面的设计加工和机内面镜，使整体像差可以大大低于传统的同轴透镜式光路系统。　　
　　
　　此系统不同光学镜面的不同光学Powerφ，见下图。其中，折射镜面的φ=(n-1)/R，面表面反射镜φ=2/R，而内反射镜的φ=2n/R，（其中R为曲率半径，n为折射率），由此可以看出，曲率半径越小，φ越大，但此时，φ越大像差也越大；其次，内反射镜与透射镜（折射面镜）相比，只有1/6的曲率半径就可以得到同样的φ值。所以其像差小，无色差。

　　
　　但是，使用这种内反射镜时，如果采用同轴光路，光路被反射镜阻挡光线无法取出。为此，在使用内反射镜时不得不使用偏心的离轴设计。对光学而言，偏心、离轴将会产生更大的像差，使问题更复杂。
　　
　　离轴设计产生的偏心像差主要有以下四类，见下图。

　　
　　(1)非点格差：在回转对称光学的轴上常发生轴对称，球面象差。在偏心光学的轴上亦经常发生非常格差。
　　
　　(2)慧差：在回转对称光学的轴外常发生的慧差（coma象差），在偏心光学轴上亦会出现。
　　
　　(3)像面弯曲与变形：因偏心产生的像面弯曲与变形，没有点对称的特征，偏心会造成明显的梯形、弓形的象变形。(4)象面倾斜：象面弯曲乃是反射面具有正光焦度所造成，对光线行进方向而言则变成凹面弯曲状，因此光线会随着凹面弯曲倾斜，严重时成为园柱状，此时光学面若有偏心便会发生严重的象差。
　　
　　当然，偏心离轴的光学系统也有优点，那就是，光路偏离中心对称轴，可以使光路在轴外折叠，从而使光路结构更简洁、小巧，此时轴上光路的长度已经和光学系统大小无关了。
　　
　　不过，能否解决离轴光学系统偏心造成的像差是其是否实用的关键。
　　
　　我们利用自由曲面对像差进行补偿修正的方法，所谓自由曲面并非任意、无序的自由曲面，而必须是可以追踪光路，并能够由数控机床加工制造的。
　　
　　由此得到的自由曲面棱镜，可以很好的消除、补偿、修正偏心光学造成的像差，使其能够制造出小巧的近眼光学系统，使其不但具有高倍目镜所具有的高放大倍数、小的像差；而且可以具有如低放大倍数放大镜所具的大射出瞳经。一般近眼光学系统的射出瞳径若有4mm便可视像。由于双眼式HMD的眼幅因人而异，因此需借助眼幅调整机构来调整，如此一来会造成本体重量不易轻型化。有鉴于此，小型轻量HMD的光学系统射出瞳径若有12×4mm大小，便可充分满足眼幅55～71mm的漂移容许范围，且不需任何眼幅调整机构来调整。
　　
　　下图为偏轴自由曲面HMD近眼光学用棱镜剖面图一例。产生的光线射入倾斜于光轴之自由曲面第1面，光线先在第3面全反射，之后在倾斜自由面之凹面镜第2面反射，再度通过第3面进入观视者眼睛。第1、2面为自由曲面可作偏心象差的修正，其中第2面是光路中承担光焦度最重的面，第3面则为穿透与全反射面，因此全反射面有效直径与穿透面有效直径两者的堆叠对光学小型化具有重大贡献。

　　
　　如上所述棱镜与偏心的各面构成小型堆叠状光学系统是偏心光学最大优势。除此之外偏心棱镜（下图）还具有相当于回转对称透射镜片3-4片份的象差修正能力，因此可应用于成象光学系统。

　　
　　日本Olympus即利用这种离轴式偏心自由曲面棱镜制作了小巧、轻便的随身看显示系统。

　　对于随身看显示系统的光路设计中还有一些问题值得重视。
　　
　　首先是，所用LCD．不论是哪一种类型，由于尺寸很小，大都作成黑/白单色的，为了实现彩色化，一般是采用RGB，三色光循环扫描的方式，即将一帧分成三个子帧，每帧的三个子帧显示时被RGB三色光循环照明，由于LCD很小，只用三只红绿蓝就够了。
　　
　　其次，如果使用的是如LCOS之类反射式LCD时，由于LCD不用偏光片，所以光路设计时必须增加偏光系统。当使用OEL主动发光显示器件时，由于一般显示器件都是全彩色的发光器件，而且不需偏光调制，所以光路相对简单，但是，由于显示是由红绿蓝三色像素构成，所以系统的分辨率会大大下降。
　　
　　作为光路设计主要的目的是完成将信息显示给人眼，因此在设计中还应该充分考虑人机交流的友好界面，充分考虑人体工程的各种要求。