梁美玉

(安徽信息工程學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241100)

0 引言

AR技術(shù)作為一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是將真實(shí)場景進(jìn)行模擬的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面。AR眼鏡技術(shù)是AR技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，由光學(xué)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)組成，其中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得好壞直接影響了佩戴者觀看時(shí)圖像顯示質(zhì)量的好壞。不僅如此，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還會(huì)對(duì)眼鏡的體積和重量有影響，關(guān)系到佩戴者使用時(shí)的舒適度[1]，所以，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)AR眼鏡設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

本文的陣列波導(dǎo)透視式AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)，即是針對(duì)當(dāng)前AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)和改良。

1 陣列波導(dǎo)透視式AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)由微型OLED顯示器、目鏡系統(tǒng)及陣列波導(dǎo)系統(tǒng)組合，保證AR眼鏡的使用要求。

1.1 微型顯示器

設(shè)計(jì)中選擇硅基OLED顯示器作為像源，減去了LCOS顯示器照明所用的PBS分束棱鏡，保證AR眼鏡目鏡系統(tǒng)更輕、體積更小。同時(shí)，減少照明系統(tǒng)所用的LED燈，使采用微型OLED顯示器的智能眼鏡系統(tǒng)功耗大大降低，提高了續(xù)航時(shí)間。

1.2 陣列波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)

分析發(fā)現(xiàn)，AR眼鏡基板厚度增加是因?yàn)楫?dāng)視場增大時(shí)，光線在到達(dá)出射反射鏡之前，首先撞到了基板表面，通過基板表面全反射又返回基板，導(dǎo)致傳播方向偏離原來方向，出射后會(huì)形成鬼像。因此，本設(shè)計(jì)的陣列波導(dǎo)透視式光學(xué)系統(tǒng)，是在光線入射到基板表面之前放置一片與原出射反射鏡平行的反射面，光線會(huì)在通過反射面反射，并保持與通過出射反射鏡同樣的方向，實(shí)現(xiàn)增大視場的同時(shí)減薄基板厚度，實(shí)現(xiàn)了更好的人機(jī)功效的AR眼鏡[2]，外形架構(gòu)如圖1所示。

(a)中心視場主光線追跡圖

(b)各個(gè)視場主光線追跡圖圖1 陣列波導(dǎo)透視式光學(xué)系統(tǒng)光線追跡

1.3 目鏡系統(tǒng)

為了使透視式AR眼鏡結(jié)構(gòu)緊湊、便于裝配，目鏡系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，所有透鏡膠合在一起。為了減輕重量，目鏡系統(tǒng)采用玻璃材料和光學(xué)塑料材料混合的形式。為了達(dá)到AR眼鏡的眼鏡形式，設(shè)計(jì)的目鏡系統(tǒng)將耦合折射方式與陣列波導(dǎo)。

1.4 光學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的陣列波導(dǎo)透視式AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)是將陣列波導(dǎo)、目鏡系統(tǒng)及微型OLED顯示器組合起來完成的。如圖2所示。

微型OLED顯示器作為圖像源發(fā)出的成像光束，經(jīng)過目鏡系統(tǒng)①準(zhǔn)直后，再通過耦合棱鏡②，然后進(jìn)入陣列波導(dǎo)③，視場中的光線將根據(jù)全反射定理，全部在波導(dǎo)中進(jìn)行傳播，從光線的入射到光線的出射在反射面上，根據(jù)角度選擇膜反射、透射特性，部分反射出波導(dǎo)，部分透射繼續(xù)傳播。由于陣列波導(dǎo)具有多個(gè)出射反射面，每個(gè)出射反射面形成一個(gè)出瞳，因此，可以在基板厚度很薄的情況下，進(jìn)行出瞳的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)大視場和大出瞳④范圍顯示。

除此以外，本設(shè)計(jì)也對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)、畸變、點(diǎn)列圖以及垂軸色差進(jìn)行了思考與設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1.4.1 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

在光學(xué)系統(tǒng)中，該函數(shù)是物體在不同空間頻率中信息傳遞能力的描述，物體的整體輪廓通過低頻反映，細(xì)節(jié)部分通過高頻反映，這種描述是對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)最有效、客觀、全面的描述。AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線，如圖3所示。

圖3中可見，各視場MTF在空間頻率為50 lp/mm處，滿足大于0.23。由于AR眼鏡是目視觀察光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)結(jié)構(gòu)的緊湊性要求較高，而對(duì)像質(zhì)的要求不高，所以，這里的MTF曲線值是滿足AR眼鏡的使用需求的。

1.4.2 點(diǎn)列圖

光學(xué)系統(tǒng)的另一種像質(zhì)評(píng)價(jià)方法是點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖是用來評(píng)價(jià)大像差光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)的，比較簡單。一般點(diǎn)列圖實(shí)際有效的彌散斑是集中在30%以上的光線圓形區(qū)域的，而成像光學(xué)系統(tǒng)能分辨的線數(shù)就是彌散斑直徑的倒數(shù)[3]。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)是否有根據(jù)彌散斑彗差和像散，要觀察彌散斑的形狀，系統(tǒng)畸變的大小以及色差，即是觀察彌散斑相對(duì)中心點(diǎn)的偏差以及不同波長的彌散斑中心的偏差。這里的AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖如圖4所示。

圖4 AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖

從圖4中可以看出，各視場彌散斑的最大均方根直徑不大于0.022 mm，最小均方根直徑接近0.012 mm，均有比較好的聚焦效果。

1.4.3 畸變

畸變主要針對(duì)大視場而言，共軛物像平面上的放大率隨視場不同而不同，可以認(rèn)為畸變就是主光線像差，原因是不同的視場主光線在通過光學(xué)系統(tǒng)后與高斯像面的交點(diǎn)高度與理想的像高產(chǎn)生差別。AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變像差網(wǎng)格如圖5所示。

從圖5中可以看出，AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)為桶形畸變，最大畸變值小于3%，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4.4 垂軸色差

對(duì)于用RGB三色顯示的AR眼鏡來說，由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于不同波長單色光的折射率不同，因此，各單色光像差不同，通過光學(xué)系統(tǒng)后各單色光被分開，從而降低AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)成像效果。AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)垂軸色差如圖6所示。

圖5 AR眼鏡光學(xué)系統(tǒng)畸變像差網(wǎng)格

從圖6中可以看出，透視式智能眼鏡光學(xué)系統(tǒng)全視場最大垂軸色差小于0.019 6，具有比較小的垂軸色差像差。

2 結(jié)語

本文對(duì)AR眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用微型OLED顯示器作為像源，由陣列波導(dǎo)與目鏡系統(tǒng)組成成像光路。目鏡系統(tǒng)采用一體化全膠合設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于裝配；陣列波導(dǎo)通過對(duì)其鬼像、輸出均勻性及相鄰出射反射面遮擋優(yōu)化后，具有比較理想的傳像效果。實(shí)現(xiàn)了36°視場、6mm×10mm眼動(dòng)范圍、全彩色顯示，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF達(dá)到全視場大于0.5、畸變像差小于1%、垂軸色差小于0.003 mm的成像效果，光學(xué)系統(tǒng)完全滿足AR眼鏡的要求。

圖6 透視式智能眼鏡光學(xué)系統(tǒng)垂軸色差