头戴显示器目视光学系统的基本参数

头戴显示器是一种佩戴在头上的 ，类似于眼镜的一种小型显示装置，其光学系统可以将微型显示装置输出的图像经过处理进行放大并成像在佩戴者人眼上，它的主要组成是：微型图像源，光学元件和结构固定件。它是VR，AR和MR的关键设备和载体。在医疗，航天，教育，工业生产，娱乐等领域中具有至关重要的意义和广阔的应用前景。

用于头戴显示器的光学系统相对于其他光学系统有一些特别之处。它需要佩戴在人眼上，图像信息通过系统最终传输进入人眼，所以对系统的体积、重量、成像质量的要求较为严格。且不同的头戴显示器所运用的领域不同，导致其最终结构型式也可能完全不同。

所以在设计头戴显示器目视光学系统时，需要考虑众多因素，除了上面所叙述的一些基本像差和结构型式外，还必须要考虑很多其他因素。如：出瞳直径、出瞳距离、瞳距、视场角、畸变、调制传递函数 MTF、双目像差等。今天对这些设计参数为大家进行简单的介绍。

1，出瞳直径

出瞳直径是光线经过目镜汇聚后，在出瞳位置形成并投射到瞳孔上的光斑的直径。

2，出瞳距离

出瞳距离指的是光学系统的最后一个面与出瞳位置的距离，在 VR、 AR光学系统中，出瞳位置一般指的是人眼瞳孔的位置。使用者在使用时应把眼睛对准出瞳位置，否则可能会出现因视场丢失导致观察的图像不完全的现象。所以在设计这类光学系统时，需要设置足够长的出瞳距离。

3，视场角

视场角指的是人眼在观察显示器图像时的张角，在设计头戴显示器光学系统时，视场角设计的越大，沉浸的体验感就越强烈，但是越大的视场角也会带来一系列问题。

4，调制传递函数MTF

在对光学系统成像质量进行评价和分析时，调制传递函数MTF是一个非常重要的指标。通过 MTF可以相对准确、全面、定量地判断光学系统因衍射和像差影响的成像质量的变化，它采用像平面对比度和物平面对比度的比值来描述光学系统的成像质量。在光学系统设计时，MTF是设计者的一个重要参考标准，不同的光学系统在不同的要求下的MTF的设计指标都是不同的，设计者需要根据不同的情况综合考虑并确定MTF值。

5，双目瞳距

双目瞳距指的是人眼的两个瞳孔中心的水平距离，设计者在设计时，需要考虑在头戴显示器中左右两个系统的出瞳距离是否与人眼瞳距相吻合的问题。当使用者的双眼距离与光学系统瞳距不匹配时，可能会存在一部分光线因为被遮挡而无法进入人眼，导致视场丢失，这会对使用者的体验带来很大困扰。

6，双目合像视差

头戴显示器中有一部分双目系统是通过结构件把左右两个单目系统连接起来，所以使用者在佩戴头戴显示器时，实际上是左右眼各观察一个图像。为了符合人眼生理特性，两个单目系统的图像需要在垂直和旋转方向重合，在水平方向部分重合。当双目图像不完全重合时，会出现“双目竞争”现象，影响使用者的佩戴体验，严重的可能会引起使用者产生眩晕现象 。双目图像的偏差被称为双目合像视差，偏差越大，“双目竞争”程度越明显。另外，双目视差理论也常被用于测量距离，广泛运用于航天、机器人等领域。

审核编辑：汤梓红