双目大出瞳直径光学系统观察舒适性设计

刘效东，侯建伟，朱佳丽，邱卫根，孙建华

（1.江苏北方湖光光电有限公司，江苏 无锡214035；2.上海理工大学 光电学院，上海210093）

引言

在通常的光学观察仪器中，为了实现较长时间的舒适观察，往往采用双目光学结构形式。常见的双目光学仪器有双筒望远镜、双目显微镜、飞行员头盔夜视仪，以及各种车辆平台上的双目观察仪器。传统的双目光学结构通常采用瞳距可调来适应不同人眼的瞳距。随着微显示技术和数字视频技术的发展，双目大出瞳结构的光学仪器也越来越多，如双目热像仪、单管双目夜视仪、视频眼镜、体视眼镜等。双目大出瞳结构，在设计中除了考虑像差外，还要考虑双目结构对人眼的影响。如果设计不当，观察者长时间使用仪器会产生头晕、疲劳等不适感。本文通过分析人眼双目视觉原理和典型案例，找出仪器设计中的误区，实现双目大出瞳结构的舒适性观察设计。

1 人眼双目视觉原理

人眼的视轴是晶状体中心与黄斑中心的连线，通过视轴观察目标的线路叫视线，而黄斑中心仅约2°内影像视觉是最清晰的。因此人眼要实现对目标的注视观察，必须将视线对准目标，并通过人眼调节使目标聚焦在黄斑中心。当双目观察目标时，双目视线的会聚点和每个眼睛的聚焦点都会在观察目标上。如图1所示，b为人眼的瞳距，l为人眼到目标的距离；当观察无穷远（l＝∞）目标时，双目视线平行。我们知道正常人眼双目舒适观察目标的距离为无穷远到明视距离（l＝250mm）［1］，在 该 范 围 里，会 聚 角 ε 从 （0～b／250）rad，变化了4m－1（光焦度），人眼聚焦、会聚观察目标上同一点，因此人眼不易疲劳，适合长时间观察。而当会聚角为负值或大于b／250rad，正常人眼会因调节吃力感到不舒适。我们知道还有一种人眼双目观察不舒适的情况：即聚焦点与会聚点不在一个面，如图2所示的祼眼立体图对和图3所示的计算机随机点立体图［2］。图2的情况是会聚点在无穷远，聚焦点在有限远，如果lo＝250mm，此时的聚焦差为4m－1；图3的情况是聚焦点和会聚点分开，形成了聚焦差。如果目标到人眼的距离为lo，会聚点到人眼的距离为lh，这里定义聚焦差为人眼到会聚点和聚焦点的距离倒数之差的绝对值 M＝（｜1／lo－1／lh｜），单位为 m－1。

图1 双目视觉会聚与聚焦示意图Fig.1 Schematic diagram of convergence and focus binocular optical system

显然M值越大，人眼会感到越不舒适，甚至无法观看。如图1的情况，M值为零时观察最舒适，因此立体电影、电视和红绿滤色立体图等都是采用这种方式提高观察舒适性［3］。一般的光学仪器设计时都把双光轴置于平行状态，目镜中心视度定为零；人眼通过光学仪器进行观察时，为了适应不同瞳距的人眼观察，仪器双目的瞳距都可以调整，通过调整达到了舒适观察的条件［4－7］。由于大出瞳双目光学仪器瞳距没有调整环节，如何实现舒适观察，下面以视频眼镜的典型光路，来分析设计装调中的影响因素。

图2 立体图对及原理Fig.2 Stereogram and principle

图3 随机点立体图及聚焦差示意图Fig.3 Random dots charts and schematic diagram of focusing difference

2 双目大出瞳光学仪器观察舒适性影响因素讨论

双目光学仪器目镜的双光轴一般设计和调校成平行的，对于水平会聚和水平发散公差都有明确要求。当目镜为零视度时，从如图4所示的光路可看出，对于瞳距大小都能够适用。我们知道国内一般要求光学仪器的瞳距适应范围是54mm～72mm，有18mm的调节量，如果瞳孔按3mm计算，出瞳直径要设计到12mm就可覆盖这个瞳距变化量；如果按微光夜视仪瞳孔6mm计算，出瞳直径要设计到15mm才能满足要求。当目镜不在零视度时，就会出现一些问题。从图5负视度瞳距光路示意图中可看出，只有瞳距较大的S1有可能聚焦差为零，S2、S3的则不能，S3的聚焦差较大，且瞳距较小S3的会聚角还会为负值。我们知道眼球的运动是靠6条肌肉的动作来实现 的［4，8－10］，它是一个多年形成的协调的动作。因此让人的双眼肌肉不协调地工作会导致观察疲劳，不适宜长久观看，甚至不能观看。图6显示了正视度瞳距光路示意图，与图5相反，只有瞳距较小的S3有可能聚焦差为零，瞳距较大S1的会聚角还会为负值。在军标中规定双目光学仪器两光轴的水平发散90′，水平会聚是20′，对应会聚角ε从－20′～90′；这说明双目光学仪器应该设置使人眼会聚角ε大于0，以便观察有限距离时，减少聚焦差。反之，聚焦差比较大，眼睛长时间观察会产生疲劳。

图4 视频眼镜典型光路示意图Fig.4 Principle diagram of head mounted display

图5 双目负视度瞳距光路示意图Fig.5 Optical path schematic diagram of binocular negative eyesight

图6 双目正视度瞳距适应光路示意图Fig.6 Optical path schematic diagram of binocular positive eyesight

要解决这个问题，就要使双目镜光轴平行或水平发散，这需要将左右2个像面预先移动一定量。至少要保证图7中S3和图8中S1的出射主光线平行于光轴。以实例来分析，如瞳距适应范围是54mm～72mm，瞳孔为6mm，视度调节范围为（3～5）m－1，出瞳直径设计为15mm，目镜焦距设计为21mm，2个像面需向中心预先移动0.48mm以上。通过这样的装配，双目观察舒适性会有明显提高。一般的光学仪器中心视度或固定视度都定在（－1～－2）m－1。因此2个像面中心也应移至使会聚点达到1m或0.5m的位置，让眼睛会聚在250mm～∞的范围内（以矫正视力为准）。仍用上面的例子，2组像面分别应向中心移动0.67mm或1.34mm，那样看起来会很舒适。如果按现有的标准检测，光轴平行性及瞳距适应范围都将面临不合格。当然，如果在双目大出瞳光学仪器设计中，考虑可进行像面与目镜相对微调的机构，以确保会聚角为零或正值，聚焦差为零，观察舒适性会大大提高。

图7 双目负视度瞳距适应光路示意图Fig.7 Optical path schematic diagram of adapted pupil distance for binocular negative eyesight

图8 双目正视度瞳距适应光路示意图Fig.8 Optical path schematic diagram of adapted pupil distance for binocular positive eyesight

3 结论

双目大出瞳光学仪器的会聚角和聚焦差控制是2个重要的设计要素，对仪器的观察舒适性非常重要。在双目大出瞳结构设计中应避免会聚角负值的情况出现，聚焦差尽可能为零，一般应小于2m－1。如果是年轻战士用的军事装备，双目镜光轴应预置一个（0～b／250）rad范围内的会聚角，这可以让更多的战士实现长时间地舒适观察仪器。

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