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光行天下 -> ZEMAX,OpticStudio -> Ansys Zemax | 建立增強(qiáng)現(xiàn)實頭戴式顯示器 [點此返回論壇查看本帖完整版本]

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ueotek

2023-03-29 15:37

Ansys Zemax | 建立增強(qiáng)現(xiàn)實頭戴式顯示器

增強(qiáng)現(xiàn)實(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)

簡介

在設(shè)計一個增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality, AR)透視頭戴式顯示器(OST-HMD)時，我們會針對兩道光路進(jìn)行優(yōu)化：微顯示器的投影路徑以及供用戶看見外界的透視路徑。為了達(dá)到最佳的AR效果，光學(xué)設(shè)計者必須確保虛擬圖像和現(xiàn)實景物能正確結(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。
考慮到實際用途，設(shè)計者必須將整個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成一個精巧且非侵入式的裝置，同時具備大視角(FOV)和小f-number等優(yōu)點。這篇文章說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)。

參考專利

本文的范例參考了專利Patent US 2014/0009845 A1的設(shè)計。

在范例檔案中，我們針對各表面大量的運(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。

下圖參考自專利并稍加修改。
[attachment=116962]
設(shè)計方針
OST-HMD包含了兩個光學(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，我們在多重結(jié)構(gòu)編輯器(multi-configuration editor)中建立膠合輔助鏡頭。借由這個鏡頭的輔助，可以有效減少畸變的影響，并消除光學(xué)系統(tǒng)的場曲情況。透過以上的步驟，我們可以改善第二道光路使觀察者看到的外界景物不會扭曲變形。
在仿真環(huán)境中，我們翻轉(zhuǎn)了整個光學(xué)系統(tǒng)，使光線路徑與現(xiàn)實情況完全相反。在實際應(yīng)用上，我們會以微顯示器作為HMD的光源，人眼的視網(wǎng)膜則會是像面。前后者分別作為整個光學(xué)路徑的出/入瞳。然而為了精確的架設(shè)各個組件且能有效的在OpticStudio中進(jìn)行優(yōu)化，我們會將實際的出瞳作為OpticStudio中的入瞳，并以微顯示器作為整個系統(tǒng)的像面。在接下來的篇幅，我們都會以光線在OpticStudio中的追跡方向來描述。
關(guān)于HMD的建立，首先我們會逐一插入表面以建立棱鏡，并追跡單一視場角(field angle)的一條主光線。接下來，為了傾斜棱鏡使光線按預(yù)期的路線行進(jìn)，我們會在適當(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)，使這個光學(xué)系統(tǒng)成為一個合理的設(shè)計。

由于序列模式(Sequential Mode)無法仿真出全反射(TIR)的現(xiàn)象，我們必須在發(fā)生TIR的表面上再覆蓋上一個表面，并定義該表面為具有Pickup solves的反射鏡表面(MIRROR)，使追跡光線能符合實際情況。在完成對單一視場的優(yōu)化之后，我們接著利用多重結(jié)構(gòu)編輯器(Multi-Configuration Editor, MCE)建立第二道光路。最后我們會納入制造上的考慮，并對整個系統(tǒng)的表現(xiàn)進(jìn)行最終的優(yōu)化。

楔形自由曲面(FFS)棱鏡

為了簡化一開始的光線追跡過程，我們將系統(tǒng)的入瞳大小設(shè)置為6mm(人眼瞳孔尺寸約為2-8mm)，并設(shè)定單一視場點(field point)。當(dāng)所有的表面都正確的被建立，且光線能順利的通過棱鏡后，我們可以逐步的擴(kuò)大FOV和入瞳尺寸。(更多關(guān)于FOV的論述可參考后續(xù)的”定義視角”段落)