理想光學(xué)系統(tǒng)

理想光學(xué)系統(tǒng)是能產(chǎn)生清晰的、與物完全相似的像的成像系統(tǒng)。光束中各條光線或其延長(zhǎng)線均交于同一點(diǎn)的光束稱(chēng)為同心光束。入射的同心光束經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)后，出射光束必定也是同心光束。入射和出射同心光束的交點(diǎn)分別稱(chēng)為物點(diǎn)和像點(diǎn)。

理想光學(xué)系統(tǒng)具有下述性質(zhì)：①交于物點(diǎn)的所有光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，出射光線均交于像點(diǎn)。反之亦然。這一對(duì)物像可互換的點(diǎn)稱(chēng)為共軛點(diǎn)。②物方的每條直線對(duì)應(yīng)像方的一條直線稱(chēng)共軛線；相對(duì)應(yīng)的面稱(chēng)共軛面。③任何垂直于光軸的平面，其共軛面仍與光軸垂直。④對(duì)垂直于光軸的一對(duì)共軛平面，橫向放大率為常量。研究理想光學(xué)系統(tǒng)上述物像兩方一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的理論稱(chēng)為高斯光學(xué)。首先由德國(guó)科學(xué)家C.高斯在1841年的著作中闡明。實(shí)際上不存在真正的理想光學(xué)系統(tǒng)。共軸球面系統(tǒng)在近軸條件下可近似滿(mǎn)足理想光學(xué)系統(tǒng)的要求。

漸暈現(xiàn)象

在理想情況下，軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)的光束都受孔徑光闌的限制，有基本相同的光束孔徑角，如果視場(chǎng)不太大，整個(gè)視場(chǎng)的像面照度基本均勻。然而在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，軸外點(diǎn)成像光束往往受其他光學(xué)零件通光孔的限制，結(jié)果是軸外點(diǎn)的光束孔徑角比軸上點(diǎn)的小得多。這是因?yàn)橐馆S外點(diǎn)也以充滿(mǎn)入射光瞳的光束成像時(shí)，那些遠(yuǎn)離孔徑光闌的透鏡需要有相當(dāng)大的直徑，并且對(duì)全孔徑軸外光束校正好像差也非常困難。因此，為了改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量、也為了光學(xué)零件的橫向尺寸不特別大，常用適當(dāng)減小某幾個(gè)透鏡直徑的方法來(lái)對(duì)軸外光束作必要的限制。這種軸外點(diǎn)發(fā)出充滿(mǎn)入射光瞳的光束被某些光學(xué)零件部分?jǐn)r截而不能全部通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為光束漸暈。軸外點(diǎn)離光軸越遠(yuǎn)，攔截現(xiàn)象（即漸暈）越嚴(yán)重，結(jié)果是視場(chǎng)外圍的像面照度大大降低。當(dāng)然，絕大部分光學(xué)系統(tǒng)都允許存在一定程度的漸暈。

關(guān)于AR光學(xué)

市面上主流AR光學(xué)顯示系統(tǒng)有：光學(xué)和視頻兩種。據(jù)悉，這兩種AR光學(xué)顯示系統(tǒng)都曾得到探索，不過(guò)視頻法在頭顯重量、體積等方面有較大局限，因此大多數(shù)AR眼鏡采用光學(xué)方案。

光學(xué)方案和常規(guī)眼鏡類(lèi)似，你可以直接看到現(xiàn)實(shí)世界，但光學(xué)模組并不是完全透明，由此通過(guò)真實(shí)圖像疊加虛擬圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)AR現(xiàn)實(shí)。光學(xué)方案的缺點(diǎn)是，難以顯示黑色或深色，因此陰影渲染很苦難。科學(xué)家們進(jìn)行過(guò)一些嘗試，但實(shí)用性并不高。

視頻光學(xué)顯示系統(tǒng)原理

視頻AR方面，目前Varjo XR-1等VR頭顯已具備此功能，原理是直接在攝像頭拍攝的畫(huà)面上疊加虛擬內(nèi)容，你觀看的是屏幕的“虛擬內(nèi)容”，看不到真實(shí)世界環(huán)境。其優(yōu)勢(shì)是，可讓AR與真實(shí)環(huán)境融合更自然，劣勢(shì)則是這種基于攝像頭＋屏幕的組合，對(duì)于光學(xué)顯示方面存在較大不確定性，包括對(duì)比度、亮度、視場(chǎng)角等。