頭盔顯示器

　　簡(jiǎn)介

　　頭盔顯示器（HMD，Head Mounted Display）的原理是將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過(guò)凸?fàn)?span id="ppp84sr" class='hrefStyle'>透鏡使影像因折射產(chǎn)生類(lèi)似遠(yuǎn)方效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺(jué)（Hologram）。液晶顯示器（早期用小型陰極射線管，最近已有應(yīng)用有機(jī)電致發(fā)光顯示器件）的影像通過(guò)一個(gè)偏心自由曲面透鏡，使影像變成類(lèi)似大銀幕畫(huà)面。由于偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡，因此在光學(xué)上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當(dāng)產(chǎn)生的影像進(jìn)入偏心自由曲面棱鏡面，再全反射至觀視者眼睛對(duì)向側(cè)凹面鏡面。側(cè)凹面鏡面涂有一層鏡面涂層，反射同時(shí)光線再次被放大反射至偏心自由曲面棱鏡面 ，并在該面補(bǔ)正光線傾斜，達(dá)到觀視者眼睛。

　　設(shè)計(jì)

　　頭盔顯示器的光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)日趨完善，不僅作為個(gè)人應(yīng)用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可將小型LCD顯示器件的影像透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進(jìn)軍事電子技術(shù)中得到普遍應(yīng)用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)電子技術(shù)系統(tǒng)首先應(yīng)用了頭盔顯示器。近期新一代家用仿真電子游戲機(jī)和步行者DVD影視系統(tǒng)的出現(xiàn)就是頭盔顯示器的普及推廣應(yīng)用的實(shí)例。

　　發(fā)展

　　技術(shù)進(jìn)展

　　早在1968年，美國(guó)ARPA信息處理技術(shù)辦公室主任Ivan Sutherland建立了“達(dá)摩克里斯之劍”頭盔顯示器，它被認(rèn)為是世界上第一個(gè)頭盔顯示器它能顯現(xiàn)二維圖像，沒(méi)有浸沉感，用戶只能看到的線框圖疊加在真實(shí)環(huán)境之上。采用傳統(tǒng)的軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)系統(tǒng)，體積和重量都較大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland設(shè)計(jì)的頭盔顯示設(shè)備和Utah大學(xué)開(kāi)發(fā)的機(jī)械Wand建立了一個(gè)曲面設(shè)計(jì)的交互環(huán)境。由于當(dāng)時(shí)的相關(guān)技術(shù)還不成熟，并沒(méi)有產(chǎn)生廣泛的影響，但這已是3D交互技術(shù)的雛形。是進(jìn)入虛擬技術(shù)(virtual reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)應(yīng)用的前奏。

　　1982年

　　Thomas Furness III 展示了帶有6個(gè)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?chē)h(huán)境。1984年，Michael McGreevy在NASA Ames創(chuàng)建了并不昂貴的三維立體HMD。1985年，Scott Fisher 在NASA繼續(xù)三維立體HMD工程的發(fā)展，創(chuàng)建了由操作者位置、聲音和手勢(shì)控制，帶有廣角立體顯示的頭盔式顯示系統(tǒng)。與之同時(shí)，VPL研究小組研制出了數(shù)據(jù)手套，能夠用來(lái)測(cè)量每個(gè)手指關(guān)節(jié)的彎曲程度。1986年末，NASA的一個(gè)研究小組集成了一個(gè)VR 的3D環(huán)境，用戶可以用手抓住某個(gè)虛擬物體并操縱它，可以用手勢(shì)和系統(tǒng)進(jìn)行初步交流。

　　1994年

　　加拿大Albert大學(xué)的M.Green教授重新在該方向上開(kāi)展了研究，得到了各方面的高度重視?，F(xiàn)在University of Wisconsion-Madison，Washington State University，Brigham Young University, SUNY at Buffalo, University of Clemenson均開(kāi)始該方向的研究。

　　University of Wisconsion-Madison的初期研究表明，在VR環(huán)境下利用3D交互技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作會(huì)提高設(shè)計(jì)效率10-30倍。VR的應(yīng)用還使得高難度駕駛技術(shù)的培訓(xùn)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(gè)頭盔顯示器，即如上所述的美國(guó)ARPA信息處理技術(shù)辦公室主任Ivan Sutherland開(kāi)發(fā)的“達(dá)摩克里斯之劍”頭盔顯示器，就是軍用頭盔顯示器。新世紀(jì)，未來(lái)“理想單兵作戰(zhàn)武器平臺(tái)系統(tǒng)”的發(fā)展格外引人注目。新理念、新原理、新結(jié)構(gòu)、新功能、新工藝等交相輝映；夜視技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、新材料技術(shù)等廣泛運(yùn)用，使得傳統(tǒng)士兵作戰(zhàn)單元概念產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，作為終端顯示輸出的頭盔顯示器的地位顯得越發(fā)重要，它是不可缺少的重要部件之一。原先主要為戰(zhàn)機(jī)和戰(zhàn)車(chē)駕駛員配備，而未來(lái)，一個(gè)士兵就相當(dāng)于一個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)，而一個(gè)單兵武器作戰(zhàn)平臺(tái)就是一個(gè)“士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)”。而今，世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家都在緊鑼密鼓地制定和組織實(shí)施“士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)”發(fā)展計(jì)劃。于是，適應(yīng)各自國(guó)情的單兵作戰(zhàn)武器系統(tǒng)平臺(tái)異軍突起?，F(xiàn)在的頭盔系統(tǒng)已成為士兵的“外腦”。頭盔殼作為一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，用以安裝通信裝置、聽(tīng)力增強(qiáng)裝置、整體式夜視/夜間機(jī)動(dòng)性傳感器、高分辨率顯示器等裝備。士兵通過(guò)顯示器可對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描，在各種復(fù)雜條件下都能捕捉到目標(biāo)圖像，并允許士兵從頭頂、掩體后方和建筑物周?chē)M(jìn)行"拐彎"射擊，不需暴露自己便可準(zhǔn)確攻擊目標(biāo)。目前，美、英、法等國(guó)家的綜合頭盔都有了很大突破，從而使單兵武器作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)揮出更大的威力。

　　民用頭盔顯示器

　　頭盔顯示器在虛擬技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地位十分重要，統(tǒng)計(jì)表明，普通人從外部世界獲取信息的80%來(lái)自視覺(jué)，如何實(shí)時(shí)地生成大規(guī)模復(fù)雜虛擬環(huán)境的立體畫(huà)面仍然是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)研究中亟待解決的問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)的三項(xiàng)指標(biāo)：實(shí)時(shí)性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所謂實(shí)時(shí)性是指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能按用戶當(dāng)前的視點(diǎn)位置和視線方向，實(shí)時(shí)地改變呈現(xiàn)在用戶眼前的虛擬環(huán)境畫(huà)面，并在用戶耳邊和手上實(shí)時(shí)產(chǎn)生符合當(dāng)前情景的聽(tīng)視和觸覺(jué)/力覺(jué)響應(yīng)。所謂沉浸性是指用戶所感知的虛擬環(huán)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采取現(xiàn)實(shí)生活中習(xí)以為常的方式來(lái)操縱擬場(chǎng)景中的物體，并改變其方位、屬性或當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按硬件組成可分成三類(lèi)：頭盔式顯示器是最早的VR顯示器，它利用頭盔將人的對(duì)外界的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)封閉起來(lái)，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺(jué)。目前的頭盔式顯示器的分辨率已達(dá)到1024×768，可為用戶提供清晰的虛擬場(chǎng)景畫(huà)面。按應(yīng)用場(chǎng)合主要分為投資類(lèi)和消費(fèi)娛樂(lè)類(lèi)兩種。前者主要有汽車(chē)和飛機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，世界著名大廠商已經(jīng)廣泛采用，我國(guó)也在開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)。但用量有限，大量應(yīng)用主要還是消費(fèi)類(lèi)娛樂(lè)視聽(tīng)產(chǎn)品。

　　在2006年的CES展會(huì)上，eMagin發(fā)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(chǎn)品通過(guò)左右眼分別顯示的方式“制造”出立體的畫(huà)面，由于左右畫(huà)面分開(kāi)不會(huì)相互影響，也不需要畫(huà)面遮擋，所以可以營(yíng)建出近乎完美的3D立體視覺(jué)效果。這款產(chǎn)品的售價(jià)為899美元，成熟度很高，如果要說(shuō)缺憾，那便是只支持800×600的分辨率。

　　2008年，eMagin公司將小尺寸OLED面板的分辨率推高到SXGA級(jí)別（1280×1024），并于2008年10月22～23日在英國(guó)倫敦舉行的“Night Vision 2008”上進(jìn)行了展示。這款產(chǎn)品的物理尺寸為0.44英寸，亮度100c d/m2，各項(xiàng)指標(biāo)都比較優(yōu)秀。若采用這種面板，頭戴式顯示器便可以支持1280×1024分辨率。在當(dāng)時(shí)，這是比較理想的指標(biāo)。盡管產(chǎn)品林林總總，但并沒(méi)有哪一款產(chǎn)品真正進(jìn)入到大眾的視野，除了自身的原因外，應(yīng)用需求不足、產(chǎn)品缺乏配套支持也是一大主因。比如最早帶來(lái)3 D顯示功能的eMagin公司并非游戲廠商，這讓它在產(chǎn)品推廣時(shí)倍感困難，很難為用戶所接受。

　　2011年底，在頭戴式顯示領(lǐng)域熄火良久的索尼卷土重來(lái)，這一次它帶來(lái)的HMZ-T1堪稱(chēng)重量級(jí)產(chǎn)品：1280×720分辨率、3D顯示功能，以及索尼PS3、索尼影業(yè)等諸多輔助支持，將共同打造一場(chǎng)頭戴式顯示器的應(yīng)用革命。HMZ-T1的外觀非常前衛(wèi)，它的核心組件是眼鏡式的顯示系統(tǒng)，盡管這個(gè)顯示系統(tǒng)看起來(lái)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(dāng)你戴上它時(shí)，它可以提供長(zhǎng)達(dá)20米的視覺(jué)成像距離，而成像的畫(huà)面尺寸高達(dá)750英寸，提供1280×720的分辨率。最讓人幸福的還是它可以提供極其逼真且無(wú)閃爍的3D顯示畫(huà)面，視覺(jué)效果令人震撼，這款產(chǎn)品也因此被比喻為專(zhuān)屬個(gè)人的3D IMAX影院。除了3D電影播放以外，HMZ-T1也是一款適合游戲的3D顯示器，配合索尼PS3游戲機(jī)，玩家可以在角落里安然體驗(yàn)真實(shí)3D環(huán)繞的極致體驗(yàn)。

　　2012年1月底，美國(guó)Silicon Micro Display（SMD）公司發(fā)布了一款真正的1080p全高清3D頭戴式顯示器-ST1080。ST1080的顯示屏并不是采用OLED，而是采用兩塊0.74英寸的LCOS硅基液晶來(lái)成像——這種技術(shù)在投影儀中廣泛采用，它可以在很小的尺寸內(nèi)做到超高分辨率。單從硬件上比，ST1080看來(lái)是完勝索尼的HMZ-T1，它同樣是由佩戴眼鏡和控制器構(gòu)成，但頭戴眼鏡的重量只有驚人的180克，尺寸精悍、造型簡(jiǎn)約，相比之下，索尼HMZ-T1的重量達(dá)到420克，必須采取舒適的姿勢(shì)才能夠長(zhǎng)時(shí)間佩戴。ST1080的控制器也十分緊湊，它的重量只有106克，采用U S B接口供電，外掛的電池包可以提供5小時(shí)的連續(xù)使用時(shí)間，這就意味著ST1080可以在移動(dòng)環(huán)境下使用。ST1080的規(guī)格指標(biāo)相當(dāng)強(qiáng)勁，它的分辨率達(dá)到全高清的1920×1080標(biāo)準(zhǔn)，可以給用戶提供3米距離觀看100英寸圖像的視覺(jué)效果；另外它的亮度指標(biāo)達(dá)到120cd/m2，對(duì)比度達(dá)到1200：1，色彩十分艷麗。到目前為止，ST1080尚未出現(xiàn)在市場(chǎng)上，SMD公司只是在官網(wǎng)上預(yù)先發(fā)售，倘若產(chǎn)品與官方宣傳的“效果完美”一樣，那么799美元的價(jià)格的確富有吸引力。

　　設(shè)計(jì)參數(shù)簡(jiǎn)析

　　偏心自由曲面棱鏡

　　自由曲面透鏡應(yīng)用于HMD由以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：a.自由曲面；b.偏心；c.自由曲面

　　棱鏡

　　光學(xué)面的倍率是由面曲率決定 ，曲率愈大（曲率半徑愈?。┰撁娴谋堵蕜t愈強(qiáng)，利用此特性可得到較大的折射力，然而相對(duì)的像差也隨之變大。折射面的倍率Φ可由媒質(zhì)的折射率n，曲率半徑R，依下式求得：Φ=（n-1）/R（1）。由于折射面的光路中可并排設(shè)置數(shù)個(gè)元件，因此可利用復(fù)數(shù)面作像差補(bǔ)正。要注意的是，該光學(xué)面的光軸必須是直線狀。由于此類(lèi)光學(xué)是由反射面所構(gòu)成，因此即使很小的面曲率亦可獲得同等倍率。Φ=2/R（2）。表面反射鏡常用于類(lèi)似望遠(yuǎn)鏡之系統(tǒng)，由于它不會(huì)發(fā)生像差，因此一般的口徑都很大。若是由背面鏡構(gòu)成反射面則變成：

　　Φ=2n/R（3）。例如折射率為1.5時(shí)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(fā)明的Mangin鏡，該鏡除了具有良好的球面差補(bǔ)正之外（不易發(fā)生球面色差），其像差亦只有發(fā)生在正面穿透面。由于這些因素使得內(nèi)面鏡可以充分發(fā)揮無(wú)像差的優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)于容易發(fā)生像差的長(zhǎng)焦距望遠(yuǎn)鏡透鏡可說(shuō)是一大幫助。若將上述透鏡應(yīng)用于成像或近眼透鏡，且像面或物面都是在內(nèi)面鏡前方時(shí)便會(huì)妨礙光線行進(jìn)。這種情況下必需設(shè)置一片副鏡片使光線折返，同時(shí)還需將內(nèi)面鏡做成開(kāi)口狀。然而即使這種結(jié)構(gòu)對(duì)于大畫(huà)角的光學(xué)而言仍無(wú)法有效解決如何取出光線之根本問(wèn)題。

　　偏心

　　回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)光軸光學(xué)中若發(fā)生偏心便會(huì)產(chǎn)生單邊光暈，不論如何調(diào)整透鏡光軸都無(wú)法得到有效改善，對(duì)光學(xué)而言偏心乃是最大忌諱。然而對(duì)內(nèi)面鏡光學(xué)而言，它反而是處理光路折返不得不采用的技巧，主要原因是一旦發(fā)生偏心，相對(duì)的偏心像差會(huì)變大，如此一來(lái)會(huì)使的問(wèn)題更加棘手。

　　偏心像差

　　如上所述結(jié)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(chǎn)生的偏心像差現(xiàn)象可分為下列四大項(xiàng)：1.非點(diǎn)格差。2.迷差。3.像歪。4.像面傾斜。1.因偏心之非點(diǎn)格差：在回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)光學(xué)的軸上常發(fā)生軸對(duì)稱(chēng)球面像差。在偏心光學(xué)的軸上亦經(jīng)常發(fā)生非點(diǎn)格差。嚴(yán)重時(shí)雖然會(huì)在同一方向成像，在另一端的遠(yuǎn)焦系也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題因此設(shè)計(jì)上需格外留意。2.因偏心之迷差：在回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)光學(xué)的軸外常發(fā)生的迷收差，在偏心光學(xué)軸上亦會(huì)出現(xiàn)。3.因偏心之像歪：偏心會(huì)造成相當(dāng)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(duì)光線行進(jìn)方向而言則變成凹面彎曲狀，因此光線會(huì)隨著凹面彎曲傾斜嚴(yán)重時(shí)成為圓柱狀，此時(shí)光學(xué)面若有偏心便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的收差。

　　由于上述各種限制使得以往的回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸光學(xué)的光軸概念不再適用于非回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸光學(xué)。若凹面鏡的光學(xué)凹面有偏離、傾斜時(shí)，凹面鏡的反射光會(huì)嚴(yán)重傾斜，使的成像位置偏離原來(lái)的像面，無(wú)法作像差評(píng)估。設(shè)若從物體中心發(fā)出并通過(guò)瞳孔中心的光線為軸上主光線 ，并且以此光線的鄰近光為成像時(shí)的偏心評(píng)估面時(shí)，偏心光學(xué)上近軸像位置便無(wú)法成為評(píng)估基準(zhǔn)。換言之，正確方法應(yīng)該是先決定評(píng)估面 ，并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(píng)估。

　　偏心最大優(yōu)點(diǎn)是可使光學(xué)結(jié)構(gòu)變的非常簡(jiǎn)潔、小型。傳統(tǒng)光學(xué)若要進(jìn)行微型化，除了縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度或口徑外沒(méi)有其它方法。然而對(duì)于回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)光學(xué)而言它的光軸成為一條直線，若改為偏心光學(xué)便可大幅壓縮體積。由于軸上光的長(zhǎng)度與光學(xué)系統(tǒng)大小不再互動(dòng) ，因此理論上可輕易達(dá)成微型化。例如設(shè)計(jì)3片組鏡頭，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)光學(xué)除了將3片透鏡長(zhǎng)度縮小之外沒(méi)有其它方法可使光學(xué)系統(tǒng)微型化。不過(guò)若是偏心光學(xué)便可將光路折疊，相當(dāng)于3片透鏡的各面都可作相當(dāng)程度的分離設(shè)計(jì)且各面互不干涉，同時(shí)更可因這種結(jié)構(gòu)大幅削弱各面的倍率。偏心棱鏡乃是刻意使光學(xué)面偏離光軸（簡(jiǎn)稱(chēng)離軸），傾斜結(jié)構(gòu)可使光路在無(wú)任何衰減情況下折疊，此外各面相互保持一定間隔，因此各光學(xué)面的倍率可大幅降低。

　　自由曲面

　　棱鏡所構(gòu)成的內(nèi)面鏡光學(xué)可取出偏心時(shí)的光路，形成低像差光學(xué)系統(tǒng)。不過(guò)若是偏心過(guò)大造成大偏心像差時(shí)，便無(wú)法構(gòu)成回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)面之偏心光學(xué)，此時(shí)需設(shè)法改變面的形狀，作成所謂的自由曲面，藉由自由曲面補(bǔ)正偏心像差。雖然是自由曲面但實(shí)際上任意形狀是無(wú)法跟蹤光線，此外自由曲面是以NC加工機(jī)制作，因此會(huì)聚點(diǎn)矩陣數(shù)據(jù)計(jì)算相當(dāng)費(fèi)時(shí)，雖然它對(duì)開(kāi)鍵槽很有利但根本上需根據(jù)光學(xué)像差設(shè)計(jì)時(shí)的方便性為原則，最簡(jiǎn)易的數(shù)學(xué)模式采用級(jí)數(shù)展開(kāi)XY方式。

　　面對(duì)稱(chēng)

　　若只考慮Y-Z面內(nèi)的偏心則Y軸的正負(fù)方向?yàn)榇笃?。有關(guān)X-Z軸的正負(fù)方向則為同樣形狀。換言之Y-Z面必需是對(duì)稱(chēng)面的面對(duì)稱(chēng)。該對(duì)稱(chēng)面若是Y-Z平面，則X軸方向便不需非對(duì)稱(chēng)，因此自由曲面系數(shù)的X不用奇數(shù)次項(xiàng)。

　　近軸量

　　一般而言，由物體中心射出并通過(guò)中心與像面交叉之光線會(huì)有一條存在。在回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)光學(xué)時(shí)此光線變成光軸。然而偏心光學(xué)的光線是曲折前進(jìn)，因此上述光線不易變成光軸。為了作業(yè)上方便統(tǒng)稱(chēng)此光線為軸上主光線。有關(guān)各面的定義坐標(biāo)與軸上主光線的關(guān)系，由于軸上主光線并不限定非要通過(guò)各面定義坐標(biāo)的中心不可，因此即使求出定義坐標(biāo)原點(diǎn)附近的曲率 ，依此定義坐標(biāo)所求得之近軸量實(shí)際上毫無(wú)意義。此外目前的光學(xué)設(shè)計(jì)軟體不易作有關(guān)近軸計(jì)算。換言之，即使將焦距、倍率F、像側(cè)計(jì)算近軸所需之資料輸入電腦亦無(wú)法完成設(shè)計(jì)。主要原因是設(shè)計(jì)前必需先獲得入射瞳徑或物體側(cè)等基礎(chǔ)資料。同樣道理若無(wú)法求出焦距便無(wú)法計(jì)算像高，如果焦距無(wú)法成為直接補(bǔ)正對(duì)象就必需以像高作為補(bǔ)正對(duì)象進(jìn)行像差補(bǔ)正。

　　像差補(bǔ)正

　　如上所述由于無(wú)法求得近軸量，因此依式以像高作為補(bǔ)正對(duì)象再配合焦距計(jì)算。h=ftanθ （7）h：像高；f：焦距；θ：畫(huà)角；由于X、Y方向各具自由度，因此需以各別像高作為補(bǔ)正對(duì)象。這有點(diǎn)類(lèi)似X、Y方向兩狀態(tài)之設(shè)計(jì)。此外Y軸亦具正負(fù)自由度，Y像高的正負(fù)都需成為補(bǔ)正對(duì)象。面的布置 假設(shè)HMD為3面結(jié)構(gòu)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(diǎn)再?zèng)Q定各面位置。此處會(huì)以入射瞳面作為起始原點(diǎn)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(dòng)其中任一面便會(huì)連帶牽動(dòng)其它面，如此一來(lái)要使光線通過(guò)更加不易。接著決定第2、3面，并使第4面與第2面同位置。之后輸入成為第5面之像面之第6面。一旦決定各面后接著需調(diào)整各面傾角使軸上光可順利通過(guò)。此時(shí)為了使軸上主光線能觸及各面定義坐標(biāo)的起始原點(diǎn)，必需讓面的位置偏心。由于第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(diǎn)即可 。其理由是第4面為反射面對(duì)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(dāng)軸上光線通過(guò)面的定義軸附近時(shí)，對(duì)于面的低項(xiàng)次及自動(dòng)補(bǔ)正比較有利，而且萬(wàn)一不幸產(chǎn)生崩潰時(shí)它會(huì)變得不易自動(dòng)補(bǔ)正。

　　完成上述作業(yè)之后接下來(lái)2次項(xiàng)補(bǔ)正，賦與面倍率初期值。2次項(xiàng)C20與C22在回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)系相當(dāng)于R曲率。由于X、Y方向各別獨(dú)立，因此補(bǔ)正時(shí)需各別設(shè)定像高限制條件，此時(shí)先賦與第3面C20與C22適當(dāng)?shù)?次系數(shù)，使它能在像面附近成像，之后再根據(jù)X-Z，Y-Z斷面之光路以人工方式輸入適當(dāng)值 。如此像面附近成像之光學(xué)設(shè)計(jì)就此誕生。接著作自動(dòng)補(bǔ)正，首先輸入可使第3～6面軸上主光線(A)的Y軸坐標(biāo)通過(guò)面的定義坐標(biāo)原點(diǎn)的限制條件，再輸入兩畫(huà)角(B)與(F)的像高限制條件補(bǔ)正相當(dāng)于近軸量的焦距。接著作3次項(xiàng)補(bǔ)正。如上所述C31為梯形歪斜（distortion），C33對(duì)于Y軸上下差異極大的歪斜補(bǔ)正具有相當(dāng)效果。利用各系數(shù)之面補(bǔ)正以及利用其形狀補(bǔ)正收差兩者彼此具有關(guān)聯(lián)，作為變數(shù)項(xiàng)及作為補(bǔ)正對(duì)象的收差在適當(dāng)時(shí)機(jī)補(bǔ)正乃是重要的過(guò)程。最后畫(huà)角(C)、(E)、(F)亦加入變成補(bǔ)正對(duì)象補(bǔ)正。4次項(xiàng)補(bǔ)正，相當(dāng)于X方向高次歪斜，這種情況下(A)至(K)的畫(huà)角都是補(bǔ)正對(duì)象。須注意的是補(bǔ)正時(shí)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(dāng)重要 ，特別是X-Z斷面的面干涉。整體而言設(shè)計(jì)者能否充份掌握3維面的配置結(jié)構(gòu)乃是全像HMD成功的基本要因。

　　偏心光學(xué)的像差

　　如上所述設(shè)計(jì)偏心自由曲面棱鏡時(shí)如何減少偏心量乃是最重要的課題。換言之對(duì)自由曲面而言降低低偏心量就能減少收差發(fā)生量。然而實(shí)際設(shè)計(jì)卻需考慮如何將光線由光路中取，或是如何將光線射入棱鏡，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，反之則盡量回避變成偏心自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)的基本原則。

　　技術(shù)發(fā)展

　　光學(xué)分辨率（OSR）的HMD主要應(yīng)用是將小型顯示器的影像透過(guò)自由曲面棱鏡變成大銀幕般的視覺(jué)效果。眾所知視覺(jué)影像的解析度與色彩度取決于顯示器件的像素（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(jià)極端昂貴，因此，日本Olympus公司利用OSR元件使18萬(wàn)畫(huà)素的LCD產(chǎn)生相當(dāng)于72萬(wàn)畫(huà)素，水平解析度500條以上的畫(huà)質(zhì)效果。OSR是由偏光控制元件（液晶cell）與復(fù)折射板所構(gòu)成。藉由OSR元件將LCD的黑色矩陣上由像素所產(chǎn)生的光線移位。雖然理論上它是一種可使光學(xué)畫(huà)質(zhì)提高4倍之技術(shù)，但實(shí)際上單純的使光線移位所產(chǎn)生的4像素技術(shù)卻會(huì)造成影像模糊效應(yīng)。因此OSR將對(duì)應(yīng)各移位的影像信號(hào)從原始影像信號(hào)中取樣，再顯示于HMD的自由曲面棱鏡，也就是說(shuō)各移位的像素都能夠正確顯示在該當(dāng)位置，實(shí)質(zhì)像素提高4倍的同時(shí)又不會(huì)有影像模糊的問(wèn)題。OSR元件置于LCD與自由曲面棱鏡之間。OSR是由2片偏光控制元件與3片復(fù)折射板所構(gòu)成。當(dāng)電壓ON/OFF施加于2片偏光控制元件時(shí)光線移位成4道。OSR的控制是將原影像信號(hào)配合移位像素的位置取樣，之后以1/120秒的速度驅(qū)動(dòng)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(gè)像素的光線以4/120秒（=1/30秒：視頻信號(hào)的結(jié)構(gòu)單位）的速度為一周期。之后一邊監(jiān)控LCD的實(shí)時(shí)一邊倍速驅(qū)動(dòng)LCD，同時(shí)與LCD驅(qū)動(dòng)狀況連動(dòng)控制OSR元件。雖然LCD移位光量（距離）取決于OSR元件的復(fù)折射板的厚度，但是由于LCD像素大小只有10μm，像素間的黑色矩陣大小為14μm，因此復(fù)折射板的厚度必須具備微米級(jí)的加工精度，配合高折射結(jié)晶材料才能完成厚度為2.9mm的OSR元件。

　　隨著虛擬現(xiàn)實(shí)電子顯示系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，可預(yù)期未來(lái)類(lèi)似HMD可將小型LCD顯示器件的影像透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)作成全像大銀幕的需求將日益增加。另外由于自由曲面棱鏡的設(shè)計(jì)乃至加工量產(chǎn)技術(shù)將因此更趨完備。除光學(xué)技術(shù)之外，納米級(jí)（nano）超精密機(jī)械加工技術(shù)亦將成為本世紀(jì)初的熱門(mén)課題。