【毕业学位论文】3D_头戴显示器之光学系统设计-光电工程

國雲科技大學 光電工程研究所碩士班 碩士文 3D 頭戴顯示器之光學系統設計 of 究 生：蔡 旻 穎 指導教授：張 彥 華 博士 陳 建 宇 博士 中華民國 九十八 月 3D 頭戴顯示器之光學系統設計 of -D 究生：蔡 旻 穎 彥 華 博士 建 宇 博士 雲科技大學 光電工程研究所碩士班 碩士文 A of 009 華民國 九十八 月 戴顯示器之光學系統設計 研究生：蔡旻穎 指導教授：張彥華 博士 陳建宇 博士 國雲科技大學 光電工程研究所 摘 要 本文主要設計頭戴式顯示器 (光學系統。實驗將針對 n 設計光學系統。光學系統用目鏡原設計，我們使用片、三 片透鏡設計目鏡，從薄透鏡、加厚完成光學系統初階，再從專中尋找四片透鏡組初階，用 優化後的光學系統進討。 首先將優化後的光學系統對人眼容忍解析進探討，結果對照 現片、三片透鏡組雖 然符合人眼使用，但還有部分的像差與色差影響其顯示品質。而四片透鏡組的光 學系統則大幅改善像差與色差問題，達到高解析的光學系統。 本文架設 3置部攝影機取像，藉由調整攝影角後，將拍攝的影像分別傳送至左右眼，並透過 育訓，讓人們透過 真實的呈現影像，也能夠運用於模擬災害的教育訓上，減少因演而造成的傷害。 關鍵字 ：頭戴式顯示器、體顯示、光學設計 of -D r. on an We to a 3We by or as we by is is It is to On to In we up to It be to by MD of it by D、 首先，我要非常感謝指導教授張彥華師與陳建宇 師，在這碩士班的耐心指導，讓我能夠在這個域上學習 到很多專業知跟技能，幫助我在研究所的上獲得應具備的專業能，同時也 訓我在任何事物上可以有條的處。每當遇到困難的時候，師總是秉持 認真跟嚴謹的態對面問題，幫助我容解問題所在以及克服問題，從師身上學到處事情的正確態。 另外，也要感謝孫文信師、蘇威佳師與宇仁 師，在師身上得到很多光學設計上面很寶貴經驗與文上的意 ，讓我在這個域獲多；明達、宗諺、漢強、婷婷、信衡、宗興、榮豪、 欣蓉、楹潔等學長姊們在我碩一時，給我很多學習上意，正宏、溫振、彥慶、 忠欣、安、坤穎、建文、詩偉在課業上與生活上互相扶持幫忙，學弟清、志 勝、一帆、錦榮、家豪、鼎堯、宗泰、耀仁在碩二時給予的幫忙，讓我能夠順完成碩士學位。 最後，要感謝我的家人，如果沒有爸爸、媽媽、哥哥 、姐姐、與友的陪伴、支持與鼓，讓我能夠無後顧之憂的求學，真的非常謝謝你們。 摘 要 . i . 謝 . . 目 . v 圖 目 . 一章 緒 . 1 發展 . 1 應用 . 2 眼睛的構造 . 5 機與目的 . 8 文架構 . 8 第二章 構介紹與其光學系統設計 . 10 示元件簡介 . 10 構介紹 . 14 生深感之因素 . 17 D - 構介紹 . 21 第三章 光學系統設計原 . 23 鏡原 . 23 鏡設計之符號定義及原 . 25 第四章 光學系統設計與優化 . 40 學系統的基本規格 . 40 合鏡與三合鏡初階 . 42 質分析 . 44 學系統優化 . 46 第五章 結果與討 . 48 學系統優化後結果 . 48 眼視的解析 . 52 學系統影像模擬結果 . 63 拍即播 3D - 優點 . 69 第章 結與未展望 . 71 考文獻 . 73 目 表 較 . 13 表 320B 的規格 . 15 表 景 瞳孔直徑 . 23 表 透鏡的曲與厚 . 32 表 鏡間距與曲 . 35 表 示器規格 . 41 表 學系統規格 . 41 表 鏡資 . 44 表 片透鏡表面資 . 48 表 片透鏡表面資 . 49 表 片透鏡表面資 . 50 表 片鏡組非球面係透鏡 . 55 表 片透鏡組空間頻對應 . 57 表 片透鏡組一面非球面空間頻對應 . 58 表 片透鏡組面非球面空間頻對應 . 58 表 片透鏡組空間頻對應 . 60 表 片透鏡組空間頻對應 . 60 表 差比較表 . 64 目 圖 . 2 圖 焦慮症的虛擬實境畫面 . 3 圖 製作的迷霧之島冒險遊戲 . 4 圖 一人稱射擊畫面 . 4 圖 眼睛的構造 . 5 圖 經網結構 . 6 圖 眼 (R)與左眼 (L)視場的測範圍 . 7 圖 結構圖 . 11 圖 結構圖 . 11 圖 基液晶顯示器之結構圖 . 12 圖 振分光鏡工作原 . 14 圖 奇光電 320B 的產品實際圖片 . 15 圖 作原 . 16 圖 構概圖 . 17 圖 眼視差之體成像 . 18 圖 幕上的視差 . 20 圖 殊 3D 攝影雲台 . 21 圖 D - 攝與成像系統架構 . 22 圖 體放在明視距，眼睛看物體所張之角 . 24 圖 體經放大鏡放大 . 24 圖 學系統的主點與焦點 . 25 圖 學系統的節點 . 26 圖 鏡成像光圖 . 27 圖 一球面折射光圖 . 28 圖 球面間折射光圖 . 28 圖 透鏡的有效焦距 後焦距 . 31 圖 平面與物像距之關係圖 . 33 圖 分開透鏡所組成系統圖 . 35 圖 近軸光學下的球面折射光 . 37 圖 學系統設計程圖 . 40 圖 算出片透鏡的初階 . 42 圖 算出三片透鏡的初階 . 43 優化後透鏡組的 (a)片 (b)三片 (c)四片 . 52 圖 鏡組解像能比較圖 . 53 圖 視角對應人眼解析能 . 54 圖 眼解析能 . 54 圖 球面優化 a)一面非球面 (b)面非球面 . 57 圖 TF 較圖： (a)球面 (b)一面非球面 (c)面非球面 . 59 圖 化後 a)三片 (b)四片透鏡 . 61 圖 TF 較圖： (a)片球面 (b)三片球面 (c)四片球面 . 62 圖 擬影像輸出 (a)原始圖 (b)片 (c)三片 (d)四片透鏡組 . 63 圖 向色差 (a)片 (b)三片 (c)四片透鏡組 . 66 圖 透鏡的場曲與畸變像差 (a)片 (b)三片 (c)四片透鏡組 . 67 圖 細線條圖形模擬像差 (a)原始圖 (b)片透鏡 (c)三片透鏡 (d)四片透鏡 . 68 圖 形模擬的色差 (a)原始圖 (b)片透鏡 (c)三片透鏡 (d)四片透鏡 . 69 圖 D - 統架設展示 . 70 1第一章 緒 頭戴顯示器 (於其體積短小輕巧，在配合電腦、放影機、電視收訊器及其他各型視訊產 品使用後，有極大的發揮空間，是消費性電子產品重要發展項目之一。本文主要設計 型且失 結合攝影機成為可拍攝的 3 發展 1960代，美國猶它州大學 . 授將陰極射線管顯示器 (上聚焦光學系統，用頭部轉動控制螢幕顯示訊號，再加上一部早期的電腦影像產生器，構成最早的一部 此，人開始經虛擬實境 (頭戴顯示器系統雙眼廣角的視覺域 1, 2。 1970代起，美國軍事單位開始有計畫地將 早 以造成 到薄膜電晶體液晶顯示器 ( 用於 戴顯示器重大大減輕。雖然頭戴顯示器發展至今己四十餘，但是許多相關技術斷被發展出，同時 由於技術的成熟與組件的價格低，應用域已只限制在軍事用途上，在娛 、醫及教育等方面的產品也已續推出 3。 應用 著科技進步與組件價格的低， 與教育方面，以下分為四個部分做介紹： I. 最早應用 產品是 n - 公司推出的 於使用 析可高達 1700 1350 視角也可到達 40 的高水準，也由於配備攝影機，可模擬作戰用夜視鏡 ( 圖 3 括恐懼治和疼痛控制，提供一種浸入式的感受，讓懼高症患者透過虛擬空 間觀看視點與移動方位。安全的浸入環境，能逐漸適應恐懼感的激因 子，有效地治適應高。圖 設計的虛擬實境畫面，讓患者習慣運輸空間並對公共場合增加適應，能有效地消除緊張與焦慮感 5。 圖 焦慮症的虛擬實境畫面 面對硬體技術與軟體支援的效能提昇，讓遊戲畫 面的真實場感為擬真性。在圖 6，遊戲內容的線全靠玩家的觀察、想像、動進解迷，圖 7，增加視野的瀏覽性與遊戲的激暢。 4圖 製作的 圖 一人稱射擊畫面 5最後，藉由透過動態模擬的過程，培訓專業 人員操作以及應變能，能有效地輔助學習者，在面對高成本或危險性高 的設備，相當適合模擬真實空間的模擬訓。在實際的子中，可應用虛 擬實境技術模擬消防人員處失火現場的應變程序，使相關人員可對未 真實況做好萬全的準備8。 眼睛的構造 在科學家一致認為下 9，一對眼睛所分別看到的影像同是造成深感的主要源。眼睛球的結構如圖 單眼視網膜所成的影像為一個二維影像的資訊，基本上單眼視網膜所收集到的二 維影像是會有深感的，需藉由另一隻眼睛所看到的影像，讓視網膜接收到 同的二維影像資訊，透過視經傳輸至大腦，再經過大腦對於張影像的判別，進而對該物體產生遠近距的深感。 圖 眼睛的構造 6視經如何將雙眼的二維影像資訊接至大腦，圖 視經網的結構。視經從視網膜要到達大腦的入口有處，在 這個入口可找到一對側膝核(，一個 直徑大約有公分，而厚約有一公分。 圖 經網結構 9 其中較值得注意的是，雙眼的視經在進入側膝核 之前會先相交一次，藉由這次相交，某部分的視經會將右眼的 影像資訊轉換成左眼的資訊；相同地，某些左眼的資訊也會轉換為右眼的資訊，我們稱這些經為相交視經(經過相交視經的作用，使得 於影像有前處 (功能，每一個 夠分別對左右眼的資訊做先一步的處。 7人眼睛有幾項重要的與特性，我們將其舉如下 10： (1)眼的平均距 (瞳孔的距 )： 6.5 (2)瞳孔的直徑： 2 - 8 依照而改變 ) 。 (3)最大的角解析：約為 (即1120) 。 (4)最大的資訊傳輸：雙眼的傳輸為 s，單一經的傳輸為 5 s。 (5)視場 (視場可以分成三個主要的部分，如圖 示： 圖 眼 (R)與左眼 (L)視場的測範圍 (a)靜止的視場 (：當眼睛直視的視場。 (b)固定點 (視場 ：對於一固定點，眼球可移動的範圍。 (c)可動的視場 (：將頭固定住，眼睛所允許移動的範圍。 機與目的 由上一個章節中，我們得知 本文將對一般視正常者設計 今運用於娛、教 育方面的顯示器愈愈強調 3達到好的 3學系統的設計變的相當重要。因此我們分別用片、三片、四片透鏡設計優化光 學系統，比較其優化出的結果，進討。 文架構 本文以循序漸進式的明，其能使 者能瞭解本文的研究。文主要分為個部分，而其內容大綱如下： 第一章 緒 介紹 、與一般大眾娛的應用概況，並簡單介紹眼睛的基本結構與特性。 第二章 本章節將介紹 出適合的顯示元件。針對顯示元件設計光學目鏡系統，讓眼睛能夠清楚接收顯示元件的資。 第三章 光學系統設計原 本章介紹光學系統的設計原，要設計 先我們先解目鏡的成像原與透鏡基本原及透鏡光 學追跡原，讓我們在設計光學系統能 9夠清楚的解光學系統的原與光追跡。 第四章 光學系統模擬與優化 訂定光學系統的規格，用 出光學系統的最佳化。 第五章 結果與討 將最佳化的光學系統，對於人眼對像差的容忍做討，使用多片透鏡設計透鏡提升 到較佳的成像品質。 第章 結 對設計完成的 探討改進方式及未研究發展的方向。 10第二章 構介紹與其光學系統設計 顯示元件直接影響成像品質的好壞，所以選擇一個好的顯示元件是非常重要。本章節一開始介紹 示元件的演進與其優缺點，選擇最適合本文的顯示元件。 示元件簡介 極射線管 (薄膜電晶體液晶 ( 矽基液晶顯示(n 電子槍在一邊及含磷螢幕在另一邊。電子槍主要由三樣元件組成，第一為發射系統 (第二為聚焦格子(第三為偏向電極 (其結構如圖 析高，且發展技術成熟，但 陰極射線管顯示器其體積龐大、高耗電及幅射問題，但隨著 漸漸的取而代之。 、對比、及色彩飽和皆及陰極射線管，但 功的優點足以取代 隨著 些問題己被解決，使得陰極射線管 (經沒有運用於 11。 11圖 射光光源通常由背光源提供，而入射光必須先藉由前偏極化片 ( 收某一方向上的偏極化光，而讓另一偏極化方向的光通過，再用液晶之開與關控制通過液 晶的光，進而控制通過彩色光器之光，最後用光之三種原色產生所需之色彩 13。 圖 12矽基液晶顯示器又稱反射式液晶顯示器，其結構如圖 在通過液晶層之後，液晶分子的物方向會隨著所施加的 電壓而改變，進而改變穿透液晶的光線極化方向。微型顯示器就如同一可以自 變化的極化偏光鏡，調整入射光的旋轉角，於是產生灰階影像，矽基板與 玻璃面板之間填充液晶分子材，光在通過液晶層之後，會經由單晶矽液晶之 反射層將光線反射回去，對於整片液晶面板，光線並沒有穿透液晶面板，而是全部將光反射回去，相較於 13。 圖 基液晶顯示器之結構圖 13上述的三種顯示元件中，單晶矽基液晶顯示器主要是 將一個標準的矽晶圓廠製造程互補式屬氧化半導體 ( 程稍加修改，即可應用於矽微型顯示器的製程上。單晶矽基液晶顯示器開口大，高，對比高，製程設備 又比薄膜電晶體液晶顯示器宜，所以成為 戴顯示器依設計方法的 同又可分為軸上折射式、軸折射式與反射式。本篇文除仔細介 紹各種顯示元件外，也使用其中之單晶矽液晶顯示元件設計頭戴顯示器。藉由 顯示元件之選定及人眼特性，結合幾何光學原制定目鏡之規格。並尋找符合初 始結構之目鏡結構，最後用光學設計軟體模擬出可以使用之目鏡。 顯示元件的選擇方面，因為 求輕巧，所以本研究採用體積龐大的 顯示元件。由表 得知， 較好的顯示效果，且 程上又壓低成本，所以本文將採用 示器為 顯示元件。 表 較 源 背光板 設計 簡單 複雜 光學設計 穿透式 反射式 開口 低 高 成本 高 低 14此 將、暗態的光分出，如圖 一個 為受液晶分子折射的影響，使反射後的光偏振方向旋轉 90 成為 將影像投射至屏幕，呈現態；反之當驅動電壓改變液晶的扭轉形態，使入射 無法穿透 使屏幕上的影像呈現暗的態。再者藉由驅動電對液晶的控制，使反射光有同的偏振成分，再搭配 可讓穿透 14, 15。 圖 振分光鏡工作原 構介紹 本文是採用晶奇光電股份有限公司所開發的 本文的架構，其型號為 號 16，如圖 示，而其規格如表 示。 15圖 奇光電 320表 320B 的規格 2X 2 32 240 4 20 360 GB 16此款 用 示器當影像源，我們拆解 介紹其結構，並用圖