头盔显示器设计参数简析

　　偏心自由曲面棱镜
　　自由曲面透镜应用于HMD由以下几项关键技术：a.自由曲面；b.偏心；c.自由曲面
　　棱镜
　　光学面的倍率是由面曲率决定 ，曲率愈大（曲率半径愈小）该面的倍率则愈强，利用此特性可得到较大的

折射力，然而相对的像差也随之变大。折射面的倍率Φ可由媒质的折射率n，曲率半径R，依下式求得：Φ=

（n-1）/R（1）。由于折射面的光路中可并排设置数个元件，因此可利用复数面作像差补正。要注意的是，该

光学面的光轴必须是直线状。由于此类光学是由反射面所构成，因此即使很小的面曲率亦可获得同等倍率。

Φ=2/R（2）。表面反射镜常用于类似望远镜之系统，由于它不会发生像差，因此一般的口径都很大。若是由背

面镜构成反射面则变成：
　　Φ=2n/R（3）。例如折射率为1.5时与上述穿透面式（1）比较，1/6的曲率即可获得同等倍率。典型背面反

射镜是1876年A.Mangin所发明的Mangin镜，该镜除了具有良好的球面差补正之外（不易发生球面色差），其像

差亦只有发生在正面穿透面。由于这些因素使得内面镜可以充分发挥无像差的优点，尤其是对于容易发生像差

的长焦距望远镜透镜可说是一大帮助。若将上述透镜应用于成像或近眼透镜，且像面或物面都是在内面镜前方

时便会妨碍光线行进。这种情况下必需设置一片副镜片使光线折返，同时还需将内面镜做成开口状。然而即使

这种结构对于大画角的光学而言仍无法有效解决如何取出光线之根本问题。
　　偏心
　　回转对称光轴光学中若发生偏心便会产生单边光晕，不论如何调整透镜光轴都无法得到有效改善，对光学

而言偏心乃是最大忌讳。然而对内面镜光学而言，它反而是处理光路折返不得不采用的技巧，主要原因是一旦

发生偏心，相对的偏心像差会变大，如此一来会使的问题更加棘手。
　　偏心像差
　　如上所述结偏心方式乃是取出光线最佳手段，但是偏心却有造成像差变大的副作用。偏心所产生的偏心像

差现象可分为下列四大项：1.非点格差。2.迷差。3.像歪。4.像面倾斜。1.因偏心之非点格差：在回转对称光

学的轴上常发生轴对称球面像差。在偏心光学的轴上亦经常发生非点格差。严重时虽然会在同一方向成像，在

另一端的远焦系也会出现同样的问题因此设计上需格外留意。2.因偏心之迷差：在回转对称光学的轴外常发生

的迷收差，在偏心光学轴上亦会出现。3.因偏心之像歪：偏心会造成相当明显的梯形、弓形像歪。4.因偏心之

像面倾斜：像面弯曲乃是反射面具有正倍率所造成，对光线行进方向而言则变成凹面弯曲状，因此光线会随著

凹面弯曲倾斜严重时成为圆柱状，此时光学面若有偏心便会发生严重的收差。
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　　由于上述各种限制使得以往的回转对称轴光学的光轴概念不再适用于非回转对称轴光学。若凹面镜的光学

凹面有偏离、倾斜时，凹面镜的反射光会严重倾斜，使的成像位置偏离原来的像面，无法作像差评估。设若从

物体中心发出并通过瞳孔中心的光线为轴上主光线 ，并且以此光线的邻近光为成像时的偏心评估面时，偏心光

学上近轴像位置便无法成为评估基准。换言之，正确方法应该是先决定评估面 ，并令该面的中心上各面的轴上

主光线形成曲折交叉状，如此才能作像差评估。