深度解析增强现实头戴显示器的设计与加工( 二 ) 近年来

图2b是早期被大量采用的一类AR-HMD光学方案，其中中继投影镜头组提供了系统主要的光焦度，可以增大系统的成像视场角，此外该类AR-HMD光学方案具有很高的光学透过率和较大的眼瞳箱尺寸和出瞳距离，大量应用于航空领域。
如图2c所示，利用单片自由曲面半透半反镜实现的一次折反AR-HMD由于系统中成像光学元件仅一片自由曲面，可以极大的减轻系统的重量，缓解了用户佩戴的沉重感。但像差较大，同时也引入了较大的畸变。
如图2d所示， BirdBath光学方案中包括一个平面分光耦合元件以及一个曲面分光耦合元件，通过两个耦合元件，将由上方微显示器显示的图像与真实世界联系起来。本质上该光学系统中镜片的共轴性仍然存在，因此像差较小。
1.1.2自由曲面棱镜方案
自由曲面面型描述以及设计方法的发展促进了光学设计领域的发展。自由曲面棱镜由于体积小，重量轻，可实现大视场角、高分辨率、大出瞳直径和透视显示。

文章图片
图3.自由曲面棱镜光学方案
如图3a所示，我们团队提出了基于自由曲面棱镜的AR-HMD的具体设计方法，并提出由一块自由曲面楔形棱镜L1和自由曲面透视补偿透镜L2拼接的新结构。虚拟成像光路的光线从微显示器出发通过自由曲面棱镜的表面S3透射进入棱镜内部，然后在表面S1′上发生全反射后到达光学表面S2 ，再次经过表面S2反射，经过棱镜的前表面S1透射最终离开棱镜并进入人眼。来自真实场景的光线依次透射通过自由曲面透视补偿棱镜L1和楔形棱镜L2后进入人眼。
之后我们团队也提出了拼接自由曲面棱镜，如图3b所示，进一步增加了单目显示视场，达到82度。基于自由曲面棱镜光学方案，现已实现120°对角视场，出瞳大小为6mm 。
图4给出了自由曲面闭环反馈加工的核心过程：模具和模仁加工、模仁检测、注塑成形、像质评价。当未达到设计的成像精度目标时，可通过加工补偿实现面形的补偿加工。

文章图片
图4.自由曲面闭环加工核心流程
1.1.3几何波导方案
几何波导采用反射镜将光线耦合进来，并使用分光镜阵列将光线耦合出射。

文章图片
图5.几何波导光学方案
如图5a所示，几何波导显示器由三部分组成，分别是微型显示器，投影光学器件和几何波导光学器件，在这三个部分中，波导用作光瞳扩展器，并且是减小AR-HMD厚度的关键因素。来自微型显示器的图像通过投影光学器件到达波导中的入射镜，之后光线通过全内反射条件（TIR）在基板上连续反射，当光线到达分光镜阵列（PRMA）后， PRMA将光从波导中耦合出射进入人眼。
如图5b所示，一种具有两个几何波导的AR-HMD ，两个波导以很小的空气间隔堆叠在一起，以便光可以独立地在两个波导内部传播，最终实现大视场显示。几何波导的加工流程如图7所示。
1.2微光学方案
1.2.1表面浮雕光栅SRG

文章图片
图6.表面浮雕光栅SRG
如图6a所示为一般一维二元矩形光栅的基本结构，包含有周期，深度，占空比。
如图6b所示，准直光束由入耦合光栅向两个对称方向衍射并进行全反射传播，最后通过出耦合光栅出射被人眼接收。为保证眼睛沿着波导内光传播方向移动能看见完整图像，需要对出耦合端进行出瞳扩展，以扩大眼瞳箱。倾斜式的表面浮雕光栅打破矩形光栅本身的对称性，可以在特定级次上实现很高的衍射效率。