用于灵境系统的观察目镜

　　1　头盔显示器综述

　　头盔显示器是灵境系统中除了计算机之外最昂贵的部分,它能够提供虚拟现实的三维显示,而且只要其视场足够大(大于90°),就能提供相当不错的浸没感。

　　1.1　头盔显示器的工作原理

　　头盔显示器包括三个部分:显示部分、光学镜头和头盔。显示部分的作用是把计算机输出的图象显示出来。为了使头盔显示器产生逼真的立体感,显示部分需用两块显示屏分别显示左右眼两幅图象,通常采用液晶显示屏(LCD)或阴极射线管(CRT)。因为头盔显示器的体积应尽量小,所以显示屏与观察者眼睛的距离都很小,一般只有几个厘米。观察者在这样短的距离上是不会看清任何东西的,更不用提什么浸没感了。这就需要有一个光学镜头来把显示屏的图象成象在观察者能看清的距离上,让图象覆盖尽可能大的视场,并使虚拟环境中的物体看起来的尺寸和真实尺寸差不多,因此它对浸没感的实现也起到了很关键的作用。头盔的作用是把显示部分与光学镜头固定住,并挡住外界光以增强浸没感。此外,还通过它把头盔显示器牢牢地固定在观察者的头上。

　　1.2　显示部分

　　第一个头盔显示器是美国麻省理工学院的Ivan Sutherland[1]发明的,当时他采用了CRT作为显示器件。他并没有把CRT放在眼睛的前面,而是放在两侧,然后用反光镜把CRT的图象反射至人眼中。虽然CRT分辨率高,但与LCD相比,CRT要重得多,而且还有辐射的危险,所以随着LCD的分辨率越来越高,现在大多数头盔显示器都采用LCD作为显示设备。LCD的制作技术近年来得到了迅速的发展,但分辨率低仍是其最大缺点。现在微型LCD的最大应用是微型彩电,微型彩电一般放在二三十厘米的距离观看,其视场角只有十几度,这时你并不会感到象质的低劣。而在头盔显示器中,视场角要达到90°以上,即要放大七八倍,这时你就会看到一个一个的象素。对于彩色LCD,你还会看到组成每个象素的红绿蓝三点结构,这将让观察者感到十分的难受。对此目前有四种解决方法:①离焦,②漫射器,③波前随机化,④波前随机化加上空间频率增强器。这四种方法的作用都是使象素点变得模糊,从而使观察者看不清象素的边界,也就不会看到一个一个的象素了。

　　为了使两块LCD能并排地放在眼睛前面,LCD的尺寸不能太大,人的平均瞳距为64mm,因此LCD的对角线最好不要超过89mm,否则就要增加光学系统的复杂性。现在国外有人采用了一种更高级的显示设备。他们把计算机生成的图象通过特殊设备投影到一束光纤的一端,然后将图象传输到光纤的另一端之后再通过镜子反射到人眼中。这种方法可达到非常高的分辨率,不过造价也高得惊人[1]。