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增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)系統(tǒng)為多道光路的架構(gòu)和自由曲面(free-from optics)的使用提供了良好的示范。這篇文章說(shuō)明了如何在序列模式中，使用楔形棱鏡(wedge-shaped prism)和自由曲面建立頭戴式顯示器(HMD)。我們將以三個(gè)范例檔案演示不同階段的模型建立。(聯(lián)系我們獲取文章附件) p%*%n3bw nysUZB
簡(jiǎn)介 .2v_H 5< \8?Tdx= 在設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality, AR)透視頭戴式顯示器(OST-HMD)時(shí)，我們會(huì)針對(duì)兩道光路進(jìn)行優(yōu)化：微顯示器的投影路徑以及供用戶看見(jiàn)外界的透視路徑。為了達(dá)到最佳的AR效果，光學(xué)設(shè)計(jì)者必須確保虛擬圖像和現(xiàn)實(shí)景物能正確結(jié)合。此技術(shù)可被廣泛應(yīng)用在軍事和醫(yī)療輔助等方面。 (<} &DE 考慮到實(shí)際用途，設(shè)計(jì)者必須將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)精巧且非侵入式的裝置，同時(shí)具備大視角(FOV)和小f-number等優(yōu)點(diǎn)。這篇文章說(shuō)明如何使用楔形自由曲面棱鏡和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)建立上述的光學(xué)系統(tǒng)。 ysQ,)QoiR{ GJtZ&H 參考專(zhuān)利 m6[0Kws& fM^qQM[lG
本文的范例參考了專(zhuān)利Patent US 2014/0009845 A1的設(shè)計(jì)。 8\5 T3AF b#hDHSdZ, 在范例檔案中，我們針對(duì)各表面大量的運(yùn)用了傾斜(tilt)和偏心(decenter)技巧。在下方的示意圖中，我們可以看到系統(tǒng)使用自由曲面棱鏡(FFS prism)和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens, 圖中黃色部分)這兩個(gè)光學(xué)組件改變?nèi)肷涔獾男羞M(jìn)方向。FFS的使用增加了設(shè)計(jì)的自由度，使系統(tǒng)可使用較少的光學(xué)組件達(dá)成目的，大幅減少裝置的重量。另一方面，膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)可有效修正畸變，改善透視影像的質(zhì)量。 fi$-;Gz 7lBAxqr2
下圖參考自專(zhuān)利并稍加修改。 }A7j/uy}s  _PlKhv}
設(shè)計(jì)方針 jkt_5+S OST-HMD包含了兩個(gè)光學(xué)組件：1)楔形FFS棱鏡 和 2) 膠合輔助鏡頭。在OpticStudio中我們會(huì)先建立FFS棱鏡，并根據(jù)原始規(guī)格進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，接著以微顯示器投影路徑(第一道光路)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在完成上述步驟后，我們?cè)诙嘀亟Y(jié)構(gòu)編輯器(multi-configuration editor)中建立膠合輔助鏡頭。借由這個(gè)鏡頭的輔助，可以有效減少畸變的影響，并消除光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲情況。透過(guò)以上的步驟，我們可以改善第二道光路使觀察者看到的外界景物不會(huì)扭曲變形。 ,kF}lo) 在仿真環(huán)境中，我們翻轉(zhuǎn)了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，使光線路徑與現(xiàn)實(shí)情況完全相反。在實(shí)際應(yīng)用上，我們會(huì)以微顯示器作為HMD的光源，人眼的視網(wǎng)膜則會(huì)是像面。前后者分別作為整個(gè)光學(xué)路徑的出/入瞳。然而為了精確的架設(shè)各個(gè)組件且能有效的在OpticStudio中進(jìn)行優(yōu)化，我們會(huì)將實(shí)際的出瞳作為OpticStudio中的入瞳，并以微顯示器作為整個(gè)系統(tǒng)的像面。在接下來(lái)的篇幅，我們都會(huì)以光線在OpticStudio中的追跡方向來(lái)描述。 N =QfP 關(guān)于HMD的建立，首先我們會(huì)逐一插入表面以建立棱鏡，并追跡單一視場(chǎng)角(field angle)的一條主光線。接下來(lái)，為了傾斜棱鏡使光線按預(yù)期的路線行進(jìn)，我們會(huì)在適當(dāng)?shù)奈恢貌迦隒oordinate Break表面。此外，我們還需要考慮組件的幾何關(guān)系，并為各表面設(shè)定適合的材質(zhì)，使這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成為一個(gè)合理的設(shè)計(jì)。 \V*xWS -2
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