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頭盔顯示器(HMD,Head Mounted Display)的原理是將小型2維顯示器所產生的影像藉由光學系統放大。

1 頭盔顯示器 -簡介

  頭盔顯示器(HMD,Head Mounted Display)的原理是將小型2維顯示器所產生的影像藉由光學系統放大。具體而言,小型顯示器所發射的光線經過凸狀透鏡使影像因折射產生類似遠方效果。利用此效果將近處物體放大至遠處觀賞而達到所謂的全像視覺(Hologram)。液晶顯示器(早期用小型陰極射線管,最近已有應用有機電致發光顯示器件)的影像通過一個偏心自由曲面透鏡,使影像變成類似大銀幕畫面。由於偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡,因此在光學上它已不單是透鏡功能,基本上已成為自由面稜鏡。當產生的影像進入偏心自由曲面稜鏡面,再全反射至觀視者眼睛對向側凹面鏡面。側凹面鏡面塗有一層鏡面塗層,反射同時光線再次被放大反射至偏心自由曲面稜鏡面 ,並在該面補正光線傾斜,達到觀視者眼睛。

2 頭盔顯示器 -設計

  頭盔顯示器的光學技術設計和製造技術日趨完善,不僅作為個人應用顯示器,它還是緊湊型大屏幕投影系統設計的基礎,可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統做成全像大屏幕。除了在現代先進軍事電子技術中得到普遍應用成為單兵作戰系統的必備裝備外,還拓展到民用電子技術中,虛擬現實電子技術系統首先應用了頭盔顯示器。近期新一代家用模擬電子遊戲機和步行者DVD影視系統的出現就是頭盔顯示器的普及推廣應用的實例。

3 頭盔顯示器 -發展

技術進展

  早在1968年,美國ARPA信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland建立了「達摩克里斯之劍」頭盔顯示器,它被認為是世界上第一個頭盔顯示器它能顯現二維圖像,沒有浸沉感,用戶只能看到的線框圖疊加在真實環境之上。採用傳統的軸對稱光學系統,體積和重量都較大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland設計的頭盔顯示設備和Utah大學開發的機械Wand建立了一個曲面設計的交互環境。由於當時的相關技術還不成熟,並沒有產生廣泛的影響,但這已是3D交互技術的雛形。是進入虛擬技術(virtual reality,簡稱VR)應用的前奏。 1982年

  Thomas Furness III 展示了帶有6個自由度跟蹤定位的頭盔顯示器(HMD),從而使用戶完全脫離的周圍環境。1984年,Michael McGreevy在NASA Ames創建了並不昂貴的三維立體HMD。1985年,Scott Fisher 在NASA繼續三維立體HMD工程的發展,創建了由操作者位置、聲音和手勢控制,帶有廣角立體顯示的頭盔式顯示系統。與之同時,VPL研究小組研製出了數據手套,能夠用來測量每個手指關節的彎曲程度。1986年末,NASA的一個研究小組集成了一個VR 的3D環境,用戶可以用手抓住某個虛擬物體並操縱它,可以用手勢和系統進行初步交流。 1994年

  加拿大Albert大學的M.Green教授重新在該方向上開展了研究,得到了各方面的高度重視。現在University of Wisconsion-Madison,Washington State University,Brigham Young University, SUNY at Buffalo, University of Clemenson均開始該方向的研究。
  University of Wisconsion-Madison的初期研究表明,在VR環境下利用3D交互技術進行設計工作會提高設計效率10-30倍。VR的應用還使得高難度駕駛技術的培訓效率大幅提高,成為必備手段。 軍用頭盔顯示器

  1968年,世界上第一個頭盔顯示器,即如上所述的美國ARPA信息處理技術辦公室主任Ivan Sutherland開發的「達摩克里斯之劍」頭盔顯示器,就是軍用頭盔顯示器。新世紀,未來「理想單兵作戰武器平台系統」的發展格外引人注目。新理念、新原理、新結構、新功能、新工藝等交相輝映;夜視技術、激光技術、計算機技術、光學技術、新材料技術等廣泛運用,使得傳統士兵作戰單元概念產生了質的飛躍,作為終端顯示輸出的頭盔顯示器的地位顯得越發重要,它是不可缺少的重要部件之一。原先主要為戰機和戰車駕駛員配備,而未來,一個士兵就相當於一個作戰平台,而一個單兵武器作戰平台就是一個「士兵作戰系統」。而今,世界一些發達國家都在緊鑼密鼓地制定和組織實施「士兵作戰系統」發展計劃。於是,適應各自國情的單兵作戰武器系統平台異軍突起。現在的頭盔系統已成為士兵的「外腦」。頭盔殼作為一個系統平台,用以安裝通信裝置、聽力增強裝置、整體式夜視/夜間機動性感測器、高解析度顯示器等裝備。士兵通過顯示器可對戰場進行掃描,在各種複雜條件下都能捕捉到目標圖像,並允許士兵從頭頂、掩體後方和建築物周圍進行"拐彎"射擊,不需暴露自己便可準確攻擊目標。目前,美、英、法等國家的綜合頭盔都有了很大突破,從而使單兵武器作戰平台發揮出更大的威力。 民用頭盔顯示器

  頭盔顯示器在虛擬技術應用系統中的地位十分重要,統計表明,普通人從外部世界獲取信息的80%來自視覺,如何實時地生成大規模複雜虛擬環境的立體畫面仍然是當前虛擬現實(virtual reality,簡稱VR)研究中亟待解決的問題。虛擬現實的三項指標:實時性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所謂實時性是指虛擬現實系統能按用戶當前的視點位置和視線方向,實時地改變呈現在用戶眼前的虛擬環境畫面,並在用戶耳邊和手上實時產生符合當前情景的聽視和觸覺/力覺響應。所謂沉浸性是指用戶所感知的虛擬環境是三維的、立體的,其感知的信息是多通道的。所謂交互性是指用戶可採取現實生活中習以為常的方式來操縱擬場景中的物體,並改變其方位、屬性或當前的運動狀態。
  現有的虛擬現實系統按硬體組成可分成三類:頭盔式顯示器是最早的VR顯示器,它利用頭盔將人的對外界的視覺、聽覺封閉起來,引導用戶產生一種身在虛擬環境中的感覺。目前的頭盔式顯示器的解析度已達到1024×768,可為用戶提供清晰的虛擬場景畫面。按應用場合主要分為投資類和消費娛樂類兩種。前者主要有汽車和飛機虛擬現實CAD設計系統,世界著名大廠商已經廣泛採用,中國也在開發此系統。但用量有限,大量應用主要還是消費類娛樂視聽產品。
  在2006年的CES展會上,eMagin發布了世界上第一款支持3D功能的頭戴顯示器「eMagin Z800 3D Visor」,這款產品通過左右眼分別顯示的方式「製造」出立體的畫面,由於左右畫面分開不會相互影響,也不需要畫面遮擋,所以可以營建出近乎完美的3D立體視覺效果。這款產品的售價為899美元,成熟度很高,如果要說缺憾,那便是只支持800×600的解析度。
  2008年,eMagin公司將小尺寸OLED面板的解析度推高到SXGA級別(1280×1024),並於2008年10月22~23日在英國倫敦舉行的「Night Vision 2008」上進行了展示。這款產品的物理尺寸為0.44英寸,亮度100c d/m2,各項指標都比較優秀。若採用這種面板,頭戴式顯示器便可以支持1280×1024解析度。在當時,這是比較理想的指標。儘管產品林林總總,但並沒有哪一款產品真正進入到大眾的視野,除了自身的原因外,應用需求不足、產品缺乏配套支持也是一大主因。比如最早帶來3 D顯示功能的eMagin公司並非遊戲廠商,這讓它在產品推廣時倍感困難,很難為用戶所接受。
  2011年底,在頭戴式顯示領域熄火良久的索尼捲土重來,這一次它帶來的HMZ-T1堪稱重量級產品:1280×720解析度、3D顯示功能,以及索尼PS3、索尼影業等諸多輔助支持,將共同打造一場頭戴式顯示器的應用革命。HMZ-T1的外觀非常前衛,它的核心組件是眼鏡式的顯示系統,儘管這個顯示系統看起來只是在方寸之間,左右眼的顯示屏都是一塊眼鏡鏡片的尺度,但當你戴上它時,它可以提供長達20米的視覺成像距離,而成像的畫面尺寸高達750英寸,提供1280×720的解析度。最讓人幸福的還是它可以提供極其逼真且無閃爍的3D顯示畫面,視覺效果令人震撼,這款產品也因此被比喻為專屬個人的3D IMAX影院。除了3D電影播放以外,HMZ-T1也是一款適合遊戲的3D顯示器,配合索尼PS3遊戲機,玩家可以在角落了安然體驗真實3D環繞的極致體驗。
  2012年1月底,美國Silicon Micro Display(SMD)公司發布了一款真正的1080p全高清3D頭戴式顯示器-ST1080。ST1080的顯示屏並不是採用OLED,而是採用兩塊0.74英寸的LCOS硅基液晶來成像——這種技術在投影儀中廣泛採用,它可以在很小的尺寸內做到超高解析度。單從硬體上比,ST1080看來是完勝索尼的HMZ-T1,它同樣是由佩戴眼鏡和控制器構成,但頭戴眼鏡的重量只有驚人的180克,尺寸精悍、造型簡約,相比之下,索尼HMZ-T1的重量達到420克,必須採取舒適的姿勢才能夠長時間佩戴。ST1080的控制器也十分緊湊,它的重量只有106克,採用U S B介面供電,外掛的電池包可以提供5小時的連續使用時間,這就意味著ST1080可以在移動環境下使用。ST1080的規格指標相當強勁,它的解析度達到全高清的1920×1080標準,可以給用戶提供3米距離觀看100英寸圖像的視覺效果;另外它的亮度指標達到120cd/m2,對比度達到1200:1,色彩十分艷麗。到目前為止,ST1080尚未出現在市場上,SMD公司只是在官網上預先發售,倘若產品與官方宣傳的「效果完美」一樣,那麼799美元的價格的確富有吸引力。

4 頭盔顯示器 -設計參數簡析

偏心自由曲面稜鏡

  自由曲面透鏡應用於HMD由以下幾項關鍵技術:a.自由曲面;b.偏心;c.自由曲面稜鏡

  光學面的倍率是由面曲率決定 ,曲率愈大(曲率半徑愈小)該面的倍率則愈強,利用此特性可得到較大的折射力,然而相對的像差也隨之變大。折射面的倍率Φ可由媒質的折射率n,曲率半徑R,依下式求得:Φ=(n-1)/R(1)。由於折射面的光路中可並排設置數個元件,因此可利用複數面作像差補正。要注意的是,該光學面的光軸必須是直線狀。由於此類光學是由反射面所構成,因此即使很小的面曲率亦可獲得同等倍率。Φ=2/R(2)。表面反射鏡常用於類似望遠鏡之系統,由於它不會發生像差,因此一般的口徑都很大。若是由背面鏡構成反射面則變成:
  Φ=2n/R(3)。例如折射率為1.5時與上述穿透面式(1)比較,1/6的曲率即可獲得同等倍率。典型背面反射鏡是1876年A.Mangin所發明的Mangin鏡,該鏡除了具有良好的球面差補正之外(不易發生球面色差),其像差亦只有發生在正面穿透面。由於這些因素使得內面鏡可以充分發揮無像差的優點,尤其是對於容易發生像差的長焦距望遠鏡透鏡可說是一大幫助。若將上述透鏡應用於成像或近眼透鏡,且像面或物面都是在內面鏡前方時便會妨礙光線行進。這種情況下必需設置一片副鏡片使光線折返,同時還需將內面鏡做成開口狀。然而即使這種結構對於大畫角的光學而言仍無法有效解決如何取出光線之根本問題。偏心

  迴轉對稱光軸光學中若發生偏心便會產生單邊光暈,不論如何調整透鏡光軸都無法得到有效改善,對光學而言偏心乃是最大忌諱。然而對內面鏡光學而言,它反而是處理光路折返不得不採用的技巧,主要原因是一旦發生偏心,相對的偏心像差會變大,如此一來會使的問題更加棘手。偏心像差

  如上所述結偏心方式乃是取出光線最佳手段,但是偏心卻有造成像差變大的副作用。偏心所產生的偏心像差現象可分為下列四大項:1.非點格差。2.迷差。3.像歪。4.像面傾斜。1.因偏心之非點格差:在迴轉對稱光學的軸上常發生軸對稱球面像差。在偏心光學的軸上亦經常發生非點格差。嚴重時雖然會在同一方向成像,在另一端的遠焦系也會出現同樣的問題因此設計上需格外留意。2.因偏心之迷差:在迴轉對稱光學的軸外常發生的迷收差,在偏心光學軸上亦會出現。3.因偏心之像歪:偏心會造成相當明顯的梯形、弓形像歪。4.因偏心之像面傾斜:像面彎曲乃是反射面具有正倍率所造成,對光線行進方向而言則變成凹面彎曲狀,因此光線會隨著凹面彎曲傾斜嚴重時成為圓柱狀,此時光學面若有偏心便會發生嚴重的收差。
  由於上述各種限制使得以往的迴轉對稱軸光學的光軸概念不再適用於非迴轉對稱軸光學。若凹面鏡的光學凹面有偏離、傾斜時,凹面鏡的反射光會嚴重傾斜,使的成像位置偏離原來的像面,無法作像差評估。設若從物體中心發出並通過瞳孔中心的光線為軸上主光線 ,並且以此光線的鄰近光為成像時的偏心評估面時,偏心光學上近軸像位置便無法成為評估基準。換言之,正確方法應該是先決定評估面 ,並令該面的中心上各面的軸上主光線形成曲折交叉狀,如此才能作像差評估。
  偏心最大優點是可使光學結構變的非常簡潔、小型。傳統光學若要進行微型化,除了縮短系統長度或口徑外沒有其它方法。然而對於迴轉對稱光學而言它的光軸成為一條直線,若改為偏心光學便可大幅壓縮體積。由於軸上光的長度與光學系統大小不再互動 ,因此理論上可輕易達成微型化。例如設計3片組鏡頭,傳統的迴轉對稱光學除了將3片透鏡長度縮小之外沒有其它方法可使光學系統微型化。不過若是偏心光學便可將光路摺疊,相當於3片透鏡的各面都可作相當程度的分離設計且各面互不干涉,同時更可因這種結構大幅削弱各面的倍率。偏心稜鏡乃是刻意使光學面偏離光軸(簡稱離軸),傾斜結構可使光路在無任何衰減情況下摺疊,此外各面相互保持一定間隔,因此各光學面的倍率可大幅降低。 自由曲面

  稜鏡所構成的內面鏡光學可取出偏心時的光路,形成低像差光學系統。不過若是偏心過大造成大偏心像差時,便無法構成迴轉對稱面之偏心光學,此時需設法改變面的形狀,作成所謂的自由曲面,藉由自由曲面補正偏心像差。雖然是自由曲面但實際上任意形狀是無法跟蹤光線,此外自由曲面是以NC加工機製作,因此會聚點矩陣數據計算相當費時,雖然它對開鍵槽很有利但根本上需根據光學像差設計時的方便性為原則,最簡易的數學模式採用級數展開XY方式。面對稱

  若只考慮Y-Z面內的偏心則Y軸的正負方向為大偏心。有關X-Z軸的正負方向則為同樣形狀。換言之Y-Z面必需是對稱面的面對稱。該對稱面若是Y-Z平面,則X軸方向便不需非對稱,因此自由曲面係數的X不用奇數次項。近軸量

  一般而言,由物體中心射出並通過中心與像面交叉之光線會有一條存在。在迴轉對稱光學時此光線變成光軸。然而偏心光學的光線是曲折前進,因此上述光線不易變成光軸。為了作業上方便統稱此光線為軸上主光線。有關各面的定義坐標與軸上主光線的關係,由於軸上主光線並不限定非要通過各面定義坐標的中心不可,因此即使求出定義坐標原點附近的曲率 ,依此定義坐標所求得之近軸量實際上毫無意義。此外目前的光學設計軟體不易作有關近軸計算。換言之,即使將焦距、倍率F、像側計算近軸所需之資料輸入電腦亦無法完成設計。主要原因是設計前必需先獲得入射瞳徑或物體側等基礎資料。同樣道理若無法求出焦距便無法計算像高,如果焦距無法成為直接補正對象就必需以像高作為補正對象進行像差補正。 像差補正

  如上所述由於無法求得近軸量,因此依式以像高作為補正對象再配合焦距計算。h=ftanθ (7)h:像高;f:焦距;θ:畫角;由於X、Y方向各具自由度,因此需以各別像高作為補正對象。這有點類似X、Y方向兩狀態之設計。此外Y軸亦具正負自由度,Y像高的正負都需成為補正對象。面的布置 假設HMD為3面結構之偏心光路。第1面:首先決定觀視者入射瞳的位置,以此面為起始原點再決定各面位置。此處會以入射瞳面作為起始原點定義各面的偏心量,主要參考量是若以積分定義偏心量 ,一旦移動其中任一面便會連帶牽動其它面,如此一來要使光線通過更加不易。接著決定第2、3面,並使第4面與第2面同位置。之後輸入成為第5面之像面之第6面。一旦決定各面後接著需調整各面傾角使軸上光可順利通過。此時為了使軸上主光線能觸及各面定義坐標的起始原點,必需讓面的位置偏心。由於第4面與第2面都是以第4面為反射面,因此只需配合第4面的原點即可 。其理由是第4面為反射面對光線而言第4面的倍率比第2面大;此外,配合軸上光線的理由是當軸上光線通過面的定義軸附近時,對於面的低項次及自動補正比較有利,而且萬一不幸產生崩潰時它會變得不易自動補正。
  完成上述作業之後接下來2次項補正,賦與面倍率初期值。2次項C20與C22在迴轉對稱系相當於R曲率。由於X、Y方向各別獨立,因此補正時需各別設定像高限制條件,此時先賦與第3面C20與C22適當的2次係數,使它能在像面附近成像,之後再根據X-Z,Y-Z斷面之光路以人工方式輸入適當值 。如此像面附近成像之光學設計就此誕生。接著作自動補正,首先輸入可使第3~6面軸上主光線(A)的Y軸坐標通過面的定義坐標原點的限制條件,再輸入兩畫角(B)與(F)的像高限制條件補正相當於近軸量的焦距。接著作3次項補正。如上所述C31為梯形歪斜(distortion),C33對於Y軸上下差異極大的歪斜補正具有相當效果。利用各係數之面補正以及利用其形狀補正收差兩者彼此具有關聯,作為變數項及作為補正對象的收差在適當時機補正乃是重要的過程。最後畫角(C)、(E)、(F)亦加入變成補正對象補正。4次項補正,相當於X方向高次歪斜,這種情況下(A)至(K)的畫角都是補正對象。須注意的是補正時各面不得有干涉,全反射面不可在臨界角以下等限制條件的考量亦相當重要 ,特別是X-Z斷面的面干涉。整體而言設計者能否充份掌握3維面的配置結構乃是全像HMD成功的基本要因。 偏心光學的像差

  如上所述設計偏心自由曲面稜鏡時如何減少偏心量乃是最重要的課題。換言之對自由曲面而言降低低偏心量就能減少收差發生量。然而實際設計卻需考慮如何將光線由光路中取,或是如何將光線射入稜鏡,因此偏心反而變成必要的手段,在此相互矛盾的前提下偏心量較少的面給予較大的倍率,反之則盡量迴避變成偏心自由曲面光學設計的基本原則。

5 頭盔顯示器 -技術發展

  光學解析度(OSR)的HMD主要應用是將小型顯示器的影像透過自由曲面稜鏡變成大銀幕般的視覺效果。眾所知視覺影像的解析度與色彩度取決於顯示器件的像素(pixel)與灰度(grey level),然而目前小型高像素、高灰度液晶顯示器(LCD)的單價極端昂貴,因此,日本Olympus公司利用OSR元件使18萬畫素的LCD產生相當於72萬畫素,水平解析度500條以上的畫質效果。OSR是由偏光控制元件(液晶cell)與復折射板所構成。藉由OSR元件將LCD的黑色矩陣上由像素所產生的光線移位。雖然理論上它是一種可使光學畫質提高4倍之技術,但實際上單純的使光線移位所產生的4像素技術卻會造成影像模糊效應。因此OSR將對應各移位的影像信號從原始影像信號中取樣,再顯示於HMD的自由曲面稜鏡,也就是說各移位的像素都能夠正確顯示在該當位置,實質像素提高4倍的同時又不會有影像模糊的問題。OSR元件置於LCD與自由曲面稜鏡之間。OSR是由2片偏光控制元件與3片復折射板所構成。當電壓ON/OFF施加於2片偏光控制元件時光線移位成4道。OSR的控制是將原影像信號配合移位像素的位置取樣,之後以1/120秒的速度驅動LCD,再同步配合像素移位置顯示影像利用OSR元件依次使各個像素的光線以4/120秒(=1/30秒:視頻信號的結構單位)的速度為一周期。之後一邊監控LCD的實時一邊倍速驅動LCD,同時與LCD驅動狀況連動控制OSR元件。雖然LCD移位光量(距離)取決於OSR元件的復折射板的厚度,但是由於LCD像素大小隻有10μm,像素間的黑色矩陣大小為14μm,因此復折射板的厚度必須具備微米級的加工精度,配合高折射結晶材料才能完成厚度為2.9mm的OSR元件。
  隨著虛擬現實電子顯示系統的推廣應用,可預期未來類似HMD可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統作成全像大銀幕的需求將日益增加。另外由於自由曲面稜鏡的設計乃至加工量產技術將因此更趨完備。除光學技術之外,納米級(nano)超精密機械加工技術亦將成為本世紀初的熱門課題。
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