Chapter 1 综述 2022-07-06
使用者以视觉方式通过头戴式显示器 ( Head-Monted Display ) 来感受由计算机模拟出的三维环境，HMD 的质量直接决定了使用者的感受。一个良好的 HMD 应当具备有较大的视野、高分辨率、高色彩空间、空间音频以及较轻的质量[1,2]。其中，视野 ( Field of View ) 、分辨率和色彩空间是本次需要解决的问题。
人的单眼水平视野有 140°，双眼总共有 195° 的水平视野，垂直视野有110° [1]，在理想的状态下，应当充分利用这水平 195° 和垂直110° 的视野，不过就现实而言，市面上最畅销的 Oculus Quest 2 也只不过有水平 90° 和垂直 93° 的视野。在移动使用场景使用 HMD 则需要至少 75° 水平和 60° 垂直的 FOV [1]，因为我们需要观察到一些例如门窗边框、墙角、柜子角之类的空间信息以免在移动时出现安全问题。这个对于基于 Video See-through 方案的 HMD 设备非常重要，因为使用者只能通过眼前的屏幕来了解身处的真实环境，而笔者要做的 HMD 设备是基于 Optical See-through 方案也就是基于光学原理的穿透式 HMD。虽然没有了安全问题，但较大的 FOV 仍然影响着使用体验。高分辨率可以降低在使用 HMD 时眼部的疲劳，并且眼睛更容易对焦。
笔者前些年有幸体验过第一代的 Microsoft HoloLens 设备，这是一款使用混合现实 ( Mixed Reality, MR ) 技术的头显，运行着特定的 Windows 操作系统。这款头显给我留下了非常深刻的使用印象：从来没有见过的虚拟与现实世界融合的影像、没有手持辅助设备、使用手势进行操作等。虽然印象深刻，但是使用体验不佳，原因有如下几点：显示视野太小了， HoloLens 第一代只有 30° 的 FOV ，因此画面看上去如下图左侧这样，右侧是第二代 HoloLens，虽然有提升，但是体验上仍然不完美。第一代的设备分辨率并不高，给人一种在半米多开外看一块 17 英寸的 720P 屏幕的感觉。
HMD 的成像部分的主要部件由显示面板、光学系统、连接系统、机械调节部件组成，通过光学组件将显示面板上的图像转换为平行光，以达到无限远的效果。在设计 HMD 时应当考虑视场/视野 ( FOV )，分辨率、出瞳距离、直径、眼瞳距和质量[1,2]。
Chapter 2 菲涅尔透镜的一些简单信息
因菲涅尔透镜的特点，常被应用于各种聚光系统和照明系统当中，最为普遍的例子就是灯塔中的菲涅尔透镜的应用，可以让船只在数公里之外看见灯塔的光线。不过菲涅尔透镜很少被应用于成像系统当中，近些年的 VR 头显开始使用这种透镜。根据光学系统的成像理论，作为准直透镜（下图下侧 [3] ），位于物方焦点处的点光源发出的光经过透镜之后，以平行于光轴的平行光束出射。位于物方焦面上的轴外点光源发出的光束经透镜后，以斜方向平行光出射[4,5]。
Chapter 3 实验平台的技术要求
实验平台主要用于测试不同焦段、不同纹距的平面菲涅尔透镜配合不同尺寸的显示屏和不同分光率的分光镜的成像效果，辅助选择出合适的组合。
实验平台主要由以下几个部分组成：
- 带有高度度数的主框架，用于固定不同尺寸的透镜；
- 显示面板固定框架，可以更换不同尺寸的显示面板；
- 分光镜固定框架；
- 模拟人眼位置的摄像头
待测装置有：
- 110x90x2mm 纹距 0.3mm F90mm 菲涅尔透镜
- 150x100x2mm 纹距 0.3mm F140mm 菲涅尔透镜
- 80x80x1.1mm 40/60 分光镜
- 0.71寸 AMOLED 15.14x9.00mm
- 3.81寸 AMOLED 78.95x67.60mm
- 5.5寸 AMOLED 128.2x81mm
测试平台技术指标：
能够安装长度在200mm以内、宽度在150mm以内的透镜、显示面板。显示面板固定框架、透镜固定框架与分光镜固定框架均可进行调节。分光镜固定框架应当有15°、45°、75°这三种基准角度。模拟人眼的摄像头可以是 Web Camera 或者是手机主摄像（满足可对焦到无限远即可），摄像头位置可以前后调节。
Chapter 4 实验平台尺寸与模型（以 5.5 英寸屏幕为基准）
ep.1 5.5 英寸屏幕及驱动器尺寸
ep.2 40/60 分光镜尺寸
ep.3 光学测试平台基座
ep.4 主支框架
ep.5 5.5 寸屏幕测试平台
ep.6 5.5 寸屏幕测试平台屏幕扣件
ep.7 F90 菲涅尔透镜平台
ep.8 F90 菲涅尔透镜平台扣件
ep.9 40/60 分光镜测试平台和固定件
Chapter 5 平台总装模型展示
Chapter 6 对焦后效果预览
可以看到使用 F90 的菲涅尔透镜会在边缘产生非常明显的色散现象，当然这与透镜本身的质量有关系，目前测试测菲涅尔透镜并不是为成像所设计的，因此出现现在这个问题也在意料之内。这个通用平台可以测试多种屏幕与透镜的组合。
Chapter 7 参考文献
标签：Chapter,Augma,平台,菲涅尔,Project,透镜,分光镜,HMD From： https://www.cnblogs.com/kd-mercury/p/16582802.html[1] KURTIS KELLER, D'NARDO COLUCCI. Perception in HMDs: what is it in head-mounted displays (HMDs) that really make them all so terrible?[C]. //Helmet- and Head-Mounted Displays III. 1998:46-53.
[2] 高源,刘越,程德文,等. 头盔显示器发展综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报,2016,28(6):896-904. DOI:10.3969/j.issn.1003-9775.2016.06.004.
[3] 汤丹英,李湘宁,杨朋千,等. 曲面和平面菲涅尔透镜的像差比较[J]. 应用光学,2008,29(5):719-723. DOI:10.3969/j.issn.1002-2082.2008.05.013.
[4] 李湘宁. 大口径线视场菲涅尔准直透镜设计[J]. 激光与光电子学进展,2008,45(12):53-58. DOI:10.3788/LOP20084512.0053.
[5] 王之江 等.光学技术手册（上册）[M]，北京：机械工业出版社，1987, 782-783