增強現(xiàn)實AR顯示器光路設計

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　　增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality，簡稱 AR)，是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，這種技術(shù)的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。這種技術(shù)1990年提出。隨著隨身電子產(chǎn)品CPU運算能力的提升，預期增強現(xiàn)實的用途將會越來越廣。

　　

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　　增強現(xiàn)實技術(shù)，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過電腦等科學技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

　　增強現(xiàn)實技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實世界的信息,而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。在視覺化的增強現(xiàn)實中，用戶利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實的世界圍繞著它。

　　增強現(xiàn)實技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段。增強現(xiàn)實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。

　　頭盔式顯示器(Head-mounted displays,簡稱HMD)被廣泛應用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現(xiàn)實技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應用的穿透式HMD。根據(jù)具體實現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于光學原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光學透視式增強現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)方案如下圖所示。

　　

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　　光學透視式增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優(yōu)點，但它同時也存在著定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對較窄和價格高等不足。

　　

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　　Figure1 Schematic of OST- HMD, compromised of a freeform surface (FFS) prism and cemented auxiliary lens (highlighted in yellow). Image taken from patent and modified.

　　OST-HMD包含以下兩個部分：1 楔形自由曲面棱鏡 2 輔助透鏡。自由曲面棱鏡是用來設計和優(yōu)化微投影圖像的光路(第一光路)，然后，輔助設計棱鏡是用多重結(jié)構(gòu)來優(yōu)化畸變(第二光路)

　　系統(tǒng)是反向設計。實際應用時，HMD光源是微型顯示器(如LED、OLED)，圖像將成像于人眼系統(tǒng)。不管怎樣，準確建模和優(yōu)化，系統(tǒng)應設置成實際出瞳是ZOS中設計的入瞳，微型顯示器作為系統(tǒng)的像面。

　　初始設定包含定義入瞳為6mm和單個視場，便于簡單的光線追跡計算。一旦設置完成，可以逐步增加視場角。

　　棱鏡可以使用偏型和傾斜面型來構(gòu)建，這樣可以綜合考慮光線是怎么傳播的和面型是怎么設定的。圖2 顯示了光線穿過棱鏡的路徑和光學面順序的標注

　　

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　　Figure 2 Final initial ray trace (post- optimization) of chief ray at 0 degrees through the system. The corresponding LDE is shown below to give a reference for the surface numbers and comments (actual final design values of parameters may vary).

　　

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　　在LDE圖表中紅色的代表了坐標斷點組，黑色備注表示了光學面序號

　　比如第8-10面是光學面9，對應的是標注的表面S1,第8面和第10面是光學面9的坐標斷點面，用來傾斜和偏心的虛擬面。

　　當建模至如上圖所示，設置孔徑光闌(入瞳)為全局坐標參考，棱鏡的第一個面放置在孔徑光闌后18.25mm位置，傾斜或平移等操作都必須使得最后光線聚焦至像面。

　　光線穿過S1表面(光學面3)至S2(光學面6)。光學面6是反射面，用來反射光線至棱鏡內(nèi)。實際使用過程中，此面是鍍上半透半反膜：反射光線至棱鏡內(nèi)然后到達微型顯示器，部分光線可直接穿透可看清前方。后面我們會使用多重結(jié)構(gòu)來模擬此種效果。

　　

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　　Figure 3 Ray aiming backwards through the system (from the "eye" to the microdisplay which serves as the image plane in our model).

　　

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　　注意點：1 為更好地查看光線路徑，微型顯示器應垂直于出射主光線。

　　2 圖中忽略了邊緣控制，為了查看光線傳播效果，不想顯示邊界和部分虛擬面 可在面型特性中選擇“Do not draw edges from this surface”“Do not draw this surface”.

　　分析系統(tǒng)圖，光線需再次在S1面上反射，然后到達像面，這是棱鏡內(nèi)的全內(nèi)反射。

　　全內(nèi)反射在序列模式中是不支持的，然而可以將S1面作為反射面。使用Pick up功能來使得S1面和S3面是相同的。在坐標斷點面上設置pick up參數(shù)，同樣用來保證S1 與S3 傾斜和偏心一致。

　　

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　　最后在像面前的S3面的功能與前面幾個面型一致，設置必要的x方向傾斜和y方向偏心。

　　

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　　Figure 4 Completed initial ray trace through prism. The system is not yet optimized and just shows each surface tilted/ decentered in relation to one another in order to achieve the desired wedge- prism shape.

　　

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　　視場設置許多設置幾個視場，因為自由曲面計算更多的視場數(shù)據(jù)，計算結(jié)果越準確。這樣ZOS可以更有效率地優(yōu)化。同樣，視場應設置X和Y方向點，因為此系統(tǒng)非旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)。

　　(TIR)全內(nèi)反射

　　光學面的孔徑通過調(diào)整半孔徑高和孔徑類型來調(diào)整。此系統(tǒng)的孔徑是方形孔徑。方形孔徑可以通過表面特性中“Aperture type”來設置，設置成“Rectangular Aperture”。

　　優(yōu)化使用RMS波前差方法，參考是質(zhì)心參考，增加臂和環(huán)的采樣數(shù)使得優(yōu)化性能提高。在優(yōu)化操作函數(shù)中根據(jù)需要添加的約束，主要約束包括有效焦距(EEFL),厚度,全局坐標,光程長度,傾斜/偏心參數(shù)、角度和畸變。

　　優(yōu)化放置光學表面S1 ' S1參數(shù)使用全局坐標約束(GLCZ / GLCY / GLCZ),因為雖然這只是一個表面;它只是建模為兩個表面，隨著光線通過棱鏡由于序列的性質(zhì)和功能模式和光學性質(zhì)的差異引入了誤差。除了使用這些操作數(shù)，LDE已經(jīng)建立了PICK UP求解解決了表面9和3(如前所述)。

　　光程約束是有必要,特別是從S3面和S1 '再到像面,保持圖像的位置，實際應用中就是保持機械結(jié)構(gòu)的緊密。

　　同樣地,傾斜/偏心參數(shù)約束保持通用棱鏡的形狀和防止表面互相偏離太強烈。

　　最初的表面類型為standard lens,慢慢更改為偶次非球面和自由表面;在這種情況下,將表面S1 Se更改為Extended Polynomial。表面2保持為偶次非球面。

　　到目前為止,第一光路(投影成像光路)和FFS棱鏡進行了優(yōu)化。第二光路系統(tǒng)(可視路徑)需要配置和優(yōu)化,主要通過使用一個輔助透鏡鞏固了FFS棱鏡S2表面

　　至此,優(yōu)化FFS棱鏡(矩形光闌)及其LDE里的參數(shù)。

　　

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　　建立整個OST - HMD系統(tǒng),輔助透鏡表面S4(如下所示)需要添加到現(xiàn)有的FFS棱鏡。多重結(jié)構(gòu)編輯器(MCE)將被用來將整個系統(tǒng)分為兩個結(jié)構(gòu)，具體設置如文章的開頭描述：:投影成像路徑(光路1)和可視光路(光路2)。這兩個配置和配置的結(jié)果覆蓋另一個看起來如下

　　

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　　建立多重結(jié)構(gòu)，在第二光路中，S4添加在圖像平面前(S4是最后表面光線將通過在圖像 )。

　　

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　　通過多重結(jié)構(gòu)設置將系統(tǒng)分成了兩個獨立的光路。通過多重結(jié)構(gòu)，我們可以分開來優(yōu)化各光路。也就是說,我們可以進一步優(yōu)化，一部分是有限物距FFS棱鏡光路使用RMS波前差法來優(yōu)化，另一部分是無焦的可視輔助透鏡。在可視光路中，我們想能透過護目鏡來觀察周圍環(huán)境(盡管是像面無焦設計)。我們希望無窮遠處的圖像經(jīng)過護目鏡等成像到視網(wǎng)膜上，畸變小，且無光焦度。

　　查看各獨立結(jié)構(gòu)和LDE里的數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)1中，LDE中光學面是光學面0-13和像面(LDE中的光學面17和18)。結(jié)構(gòu)2中包含S1和S2的表面,但不再利用表面S1 '或者S3。因此,那些表面LDE都省略了。結(jié)構(gòu)2是只考慮表面0-7,14 - 16和18。

　　查看多重結(jié)構(gòu)設置，在config*下的那列數(shù)據(jù)值為“1”表示操作數(shù)是活躍的和“0”指示的操作數(shù)是不活躍的/不使用特定的配置。使用多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)IGNR來使得結(jié)構(gòu)忽略選定的表面。例如,看3 - 5行,表面14 - 16表示為配置1表示被忽略,。注意使用GLSS操作數(shù)中改變表面的材料類型,這個表面最初表示作為一個鏡子(投影成像路徑,結(jié)構(gòu)1)模擬反射屬性，實際上是半透半反表面。在結(jié)構(gòu)2中,光線需要透過，因此更改輔助透鏡材料為PMMA。多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)AFOC可以激活“無焦像空間”選項 (結(jié)構(gòu)2)。

　　

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　　使用多重結(jié)構(gòu)，MCE和LDE中的數(shù)據(jù)都可以得到優(yōu)化。在優(yōu)化操作函數(shù)編輯器中，使用CONF操作數(shù)來控制多重結(jié)構(gòu)的選擇。在conf下列舉的操作數(shù)都是用來優(yōu)化”Cfg#”下的結(jié)構(gòu)，直到遇到下一個操作數(shù)CONF.\

　　

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　　增強現(xiàn)實將真正改變我們觀察世界的方式。想像您自己行走在或者驅(qū)車行駛在路上。通過增強現(xiàn)實顯示器(最終看起來像一副普通的眼鏡)，信息化圖像將出現(xiàn)在您的視野之內(nèi)，并且所播放的聲音將與您所看到的景象保持同步。這些增強信息將隨時更新，以反映當時大腦的活動。在這篇文章中，我們將了解這項未來技術(shù)、其技術(shù)構(gòu)成以及如何使用該技術(shù)。