國雲(yún)科技大學(xué) 光電工程研究所碩士班 碩士文 3D 頭戴顯示器之光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) of 究 生：蔡 旻 穎 指導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) of -D 究生：蔡 旻 穎 彥 華 博士 建 宇 博士 雲(yún)科技大學(xué) 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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 研究生：蔡旻穎 指導(dǎo)教授：張彥華 博士 陳建宇 博士 國雲(yún)科技大學(xué) 光電工程研究所 摘 要 本文主要設(shè)計(jì)頭戴式顯示器 (光學(xué)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)將針對 n 設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)用目鏡原設(shè)計(jì)，我們使用片、三 片透鏡設(shè)計(jì)目鏡，從薄透鏡、加厚完成光學(xué)系統(tǒng)初階，再從專中尋找四片透鏡組初階，用 優(yōu)化後的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)討。 首先將優(yōu)化後的光學(xué)系統(tǒng)對人眼容忍解析進(jìn)探討，結(jié)果對照 現(xiàn)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(zhì)。而四片透鏡組的光 學(xué)系統(tǒng)則大幅改善像差與色差問題，達(dá)到高解析的光學(xué)系統(tǒng)。 本文架設(shè) 3置部攝影機(jī)取像，藉由調(diào)整攝影角後，將拍攝的影像分別傳送至左右眼，並透過 育訓(xùn)，讓人們透過 真實(shí)的呈現(xiàn)影像，也能夠運(yùn)用於模擬災(zāi)害的教育訓(xùn)上，減少因演而造成的傷害。 關(guān)鍵字 ：頭戴式顯示器、體顯示、光學(xué)設(shè)計(jì) 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(dǎo)教授張彥華師與陳建宇 師，在這碩士班的耐心指導(dǎo)，讓我能夠在這個(gè)域上學(xué)習(xí) 到很多專業(yè)知跟技能，幫助我在研究所的上獲得應(yīng)具備的專業(yè)能，同時(shí)也 訓(xùn)我在任何事物上可以有條的處。每當(dāng)遇到困難的時(shí)候，師總是秉持 認(rèn)真跟嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)對面問題，幫助我容解問題所在以及克服問題，從師身上學(xué)到處事情的正確態(tài)。 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(xué)設(shè)計(jì)上面很寶貴經(jīng)驗(yàn)與文上的意 ，讓我在這個(gè)域獲多；明達(dá)、宗諺、漢強(qiáng)、婷婷、信衡、宗興、榮豪、 欣蓉、楹潔等學(xué)長姊們在我碩一時(shí)，給我很多學(xué)習(xí)上意，正宏、溫振、彥慶、 忠欣、安、坤穎、建文、詩偉在課業(yè)上與生活上互相扶持幫忙，學(xué)弟清、志 勝、一帆、錦榮、家豪、鼎堯、宗泰、耀仁在碩二時(shí)給予的幫忙，讓我能夠順完成碩士學(xué)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(xué)，真的非常謝謝你們。 摘 要 . i . 謝 . . 目 . v 圖 目 . 一章 緒 . 1 發(fā)展 . 1 應(yīng)用 . 2 眼睛的構(gòu)造 . 5 機(jī)與目的 . 8 文架構(gòu) . 8 第二章 構(gòu)介紹與其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 10 示元件簡介 . 10 構(gòu)介紹 . 14 生深感之因素 . 17 D - 構(gòu)介紹 . 21 第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原 . 23 鏡原 . 23 鏡設(shè)計(jì)之符號定義及原 . 25 第四章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 . 40 學(xué)系統(tǒng)的基本規(guī)格 . 40 合鏡與三合鏡初階 . 42 質(zhì)分析 . 44 學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化 . 46 第五章 結(jié)果與討 . 48 學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化後結(jié)果 . 48 眼視的解析 . 52 學(xué)系統(tǒng)影像模擬結(jié)果 . 63 拍即播 3D - 優(yōu)點(diǎn) . 69 第章 結(jié)與未展望 . 71 考文獻(xiàn) . 73 目 表 較 . 13 表 320B 的規(guī)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(guī)格 . 41 表 學(xué)系統(tǒng)規(guī)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?zhèn)S透鏡 . 55 表 片透鏡組空間頻對應(yīng) . 57 表 片透鏡組一面非球面空間頻對應(yīng) . 58 表 片透鏡組面非球面空間頻對應(yīng) . 58 表 片透鏡組空間頻對應(yīng) . 60 表 片透鏡組空間頻對應(yīng) . 60 表 差比較表 . 64 目 圖 . 2 圖 焦慮癥的虛擬實(shí)境畫面 . 3 圖 製作的迷霧之島冒險(xiǎn)遊戲 . 4 圖 一人稱射擊畫面 . 4 圖 眼睛的構(gòu)造 . 5 圖 經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu) . 6 圖 眼 (R)與左眼 (L)視場的測範(fàn)圍 . 7 圖 結(jié)構(gòu)圖 . 11 圖 結(jié)構(gòu)圖 . 11 圖 基液晶顯示器之結(jié)構(gòu)圖 . 12 圖 振分光鏡工作原 . 14 圖 奇光電 320B 的產(chǎn)品實(shí)際圖片 . 15 圖 作原 . 16 圖 構(gòu)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(yún)臺(tái) . 21 圖 D - 攝與成像系統(tǒng)架構(gòu) . 22 圖 體放在明視距，眼睛看物體所張之角 . 24 圖 體經(jīng)放大鏡放大 . 24 圖 學(xué)系統(tǒng)的主點(diǎn)與焦點(diǎn) . 25 圖 學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn) . 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(guān)係圖 . 33 圖 分開透鏡所組成系統(tǒng)圖 . 35 圖 近軸光學(xué)下的球面折射光 . 37 圖 學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yōu)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(yīng)人眼解析能 . 54 圖 眼解析能 . 54 圖 球面優(yōu)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(xì)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(tǒng)架設(shè)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(jī)、電視收訊器及其他各型視訊產(chǎn) 品使用後，有極大的發(fā)揮空間，是消費(fèi)性電子產(chǎn)品重要發(fā)展項(xiàng)目之一。本文主要設(shè)計(jì) 型且失 結(jié)合攝影機(jī)成為可拍攝的 3 發(fā)展 1960代，美國猶它州大學(xué) . 授將陰極射線管顯示器 (上聚焦光學(xué)系統(tǒng)，用頭部轉(zhuǎn)動(dòng)控制螢?zāi)伙@示訊號，再加上一部早期的電腦影像產(chǎn)生器，構(gòu)成最早的一部 此，人開始經(jīng)虛擬實(shí)境 (頭戴顯示器系統(tǒng)雙眼廣角的視覺域 1, 2。 1970代起，美國軍事單位開始有計(jì)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(fā)展至今己四十餘，但是許多相關(guān)技術(shù)斷被發(fā)展出，同時(shí) 由於技術(shù)的成熟與組件的價(jià)格低，應(yīng)用域已只限制在軍事用途上，在娛 、醫(yī)及教育等方面的產(chǎn)品也已續(xù)推出 3。 應(yīng)用 著科技進(jìn)步與組件價(jià)格的低， 與教育方面，以下分為四個(gè)部分做介紹： I. 最早應(yīng)用 產(chǎn)品是 n - 公司推出的 於使用 析可高達(dá) 1700 1350 視角也可到達(dá) 40 的高水準(zhǔn)，也由於配備攝影機(jī)，可模擬作戰(zhàn)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，讓懼高癥患者透過虛擬空 間觀看視點(diǎn)與移動(dòng)方位。安全的浸入環(huán)境，能逐漸適應(yīng)恐懼感的激因 子，有效地治適應(yīng)高。圖 設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)境畫面，讓患者習(xí)慣運(yùn)輸空間並對公共場合增加適應(yīng)，能有效地消除緊張與焦慮感 5。 圖 焦慮癥的虛擬實(shí)境畫面 面對硬體技術(shù)與軟體支援的效能提昇，讓遊戲畫 面的真實(shí)場感為擬真性。在圖 6，遊戲內(nèi)容的線全靠玩家的觀察、想像、動(dòng)進(jìn)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(dòng)態(tài)模擬的過程，培訓(xùn)專業(yè) 人員操作以及應(yīng)變能，能有效地輔助學(xué)習(xí)者，在面對高成本或危險(xiǎn)性高 的設(shè)備，相當(dāng)適合模擬真實(shí)空間的模擬訓(xùn)。在實(shí)際的子中，可應(yīng)用虛 擬實(shí)境技術(shù)模擬消防人員處失火現(xiàn)場的應(yīng)變程序，使相關(guān)人員可對未 真實(shí)況做好萬全的準(zhǔn)備8。 眼睛的構(gòu)造 在科學(xué)家一致認(rèn)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(jié)構(gòu)如圖 單眼視網(wǎng)膜所成的影像為一個(gè)二維影像的資訊，基本上單眼視網(wǎng)膜所收集到的二 維影像是會(huì)有深感的，需藉由另一隻眼睛所看到的影像，讓視網(wǎng)膜接收到 同的二維影像資訊，透過視經(jīng)傳輸至大腦，再經(jīng)過大腦對於張影像的判別，進(jìn)而對該物體產(chǎn)生遠(yuǎn)近距的深感。 圖 眼睛的構(gòu)造 6視經(jīng)如何將雙眼的二維影像資訊接至大腦，圖 視經(jīng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。視經(jīng)從視網(wǎng)膜要到達(dá)大腦的入口有處，在 這個(gè)入口可找到一對側(cè)膝核(，一個(gè) 直徑大約有公分，而厚約有一公分。 圖 經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu) 9 其中較值得注意的是，雙眼的視經(jīng)在進(jìn)入側(cè)膝核 之前會(huì)先相交一次，藉由這次相交，某部分的視經(jīng)會(huì)將右眼的 影像資訊轉(zhuǎn)換成左眼的資訊；相同地，某些左眼的資訊也會(huì)轉(zhuǎn)換為右眼的資訊，我們稱這些經(jīng)為相交視經(jīng)(經(jīng)過相交視經(jīng)的作用，使得 於影像有前處 (功能，每一個(gè) 夠分別對左右眼的資訊做先一步的處。 7人眼睛有幾項(xiàng)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(jīng)的傳輸為 5 s。 (5)視場 (視場可以分成三個(gè)主要的部分，如圖 示： 圖 眼 (R)與左眼 (L)視場的測範(fàn)圍 (a)靜止的視場 (：當(dāng)眼睛直視的視場。 (b)固定點(diǎn) (視場 ：對於一固定點(diǎn)，眼球可移動(dòng)的範(fàn)圍。 (c)可動(dòng)的視場 (：將頭固定住，眼睛所允許移動(dòng)的範(fàn)圍。 機(jī)與目的 由上一個(gè)章節(jié)中，我們得知 本文將對一般視正常者設(shè)計(jì) 今運(yùn)用於娛、教 育方面的顯示器愈愈強(qiáng)調(diào) 3達(dá)到好的 3學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變的相當(dāng)重要。因此我們分別用片、三片、四片透鏡設(shè)計(jì)優(yōu)化光 學(xué)系統(tǒng)，比較其優(yōu)化出的結(jié)果，進(jìn)討。 文架構(gòu) 本文以循序漸進(jìn)式的明，其能使 者能瞭解本文的研究。文主要分為個(gè)部分，而其內(nèi)容大綱如下： 第一章 緒 介紹 、與一般大眾娛的應(yīng)用概況，並簡單介紹眼睛的基本結(jié)構(gòu)與特性。 第二章 本章節(jié)將介紹 出適合的顯示元件。針對顯示元件設(shè)計(jì)光學(xué)目鏡系統(tǒng)，讓眼睛能夠清楚接收顯示元件的資。 第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原 本章介紹光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原，要設(shè)計(jì) 先我們先解目鏡的成像原與透鏡基本原及透鏡光 學(xué)追跡原，讓我們在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)能 9夠清楚的解光學(xué)系統(tǒng)的原與光追跡。 第四章 光學(xué)系統(tǒng)模擬與優(yōu)化 訂定光學(xué)系統(tǒng)的規(guī)格，用 出光學(xué)系統(tǒng)的最佳化。 第五章 結(jié)果與討 將最佳化的光學(xué)系統(tǒng)，對於人眼對像差的容忍做討，使用多片透鏡設(shè)計(jì)透鏡提升 到較佳的成像品質(zhì)。 第章 結(jié) 對設(shè)計(jì)完成的 探討改進(jìn)方式及未研究發(fā)展的方向。 10第二章 構(gòu)介紹與其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 顯示元件直接影響成像品質(zhì)的好壞，所以選擇一個(gè)好的顯示元件是非常重要。本章節(jié)一開始介紹 示元件的演進(jìn)與其優(yōu)缺點(diǎn)，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?zāi)辉诹硪贿?。電子槍主要由三樣元件組成，第一為發(fā)射系統(tǒng) (第二為聚焦格子(第三為偏向電極 (其結(jié)構(gòu)如圖 析高，且發(fā)展技術(shù)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(yōu)點(diǎn)足以取代 隨著 些問題己被解決，使得陰極射線管 (經(jīng)沒有運(yùn)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(guān)控制通過液 晶的光，進(jìn)而控制通過彩色光器之光，最後用光之三種原色產(chǎn)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(jié)構(gòu)如圖 在通過液晶層之後，液晶分子的物方向會(huì)隨著所施加的 電壓而改變，進(jìn)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(diào)整入射光的旋轉(zhuǎn)角，於是產(chǎn)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(huì)經(jīng)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(jié)構(gòu)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矽晶圓廠製造程互補(bǔ)式屬氧化半導(dǎo)體 ( 程稍加修改，即可應(yīng)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(shè)備 又比薄膜電晶體液晶顯示器宜，所以成為 戴顯示器依設(shè)計(jì)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(xì)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(shè)計(jì)頭戴顯示器。藉由 顯示元件之選定及人眼特性，結(jié)合幾何光學(xué)原制定目鏡之規(guī)格。並尋找符合初 始結(jié)構(gòu)之目鏡結(jié)構(gòu)，最後用光學(xué)設(shè)計(jì)軟體模擬出可以使用之目鏡。 顯示元件的選擇方面，因?yàn)?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(shè)計(jì) 簡單 複雜 光學(xué)設(shè)計(jì) 穿透式 反射式 開口 低 高 成本 高 低 14此 將、暗態(tài)的光分出，如圖 一個(gè) 為受液晶分子折射的影響，使反射後的光偏振方向旋轉(zhuǎn) 90 成為 將影像投射至屏幕，呈現(xiàn)態(tài)；反之當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓改變液晶的扭轉(zhuǎn)形態(tài)，使入射 無法穿透 使屏幕上的影像呈現(xiàn)暗的態(tài)。再者藉由驅(qū)動(dòng)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(gòu)介紹 本文是採用晶奇光電股份有限公司所開發(fā)的 本文的架構(gòu)，其型號為 號 16，如圖 示，而其規(guī)格如表 示。 15圖 奇光電 320表 320B 的規(guī)格 2X 2 32 240 4 20 360 GB 16此款 用 示器當(dāng)影像源，我們拆解 介紹其結(jié)構(gòu)，並用圖