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    增強現實AR顯示器光路設計


    發布時間:

      增強現實技術(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,這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。這種技術1990年提出。隨著隨身電子產品CPU運算能力的提升,預期增強現實的用途將會越來越廣。

      

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      增強現實技術,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,是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內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,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,從而達到超越現實的感官體驗。真實的環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。

      增強現實技術,不僅展現了真實世界的信息,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。

      增強現實技術包含了多媒體、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、場景融合等新技術與新手段。增強現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實系統中,用以增強用戶的視覺沉浸感。增強現實技術的研究者們也采用了類似的顯示技術,這就是在AR中廣泛應用的穿透式HMD。根據具體實現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的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光學透視式增強現實系統實現方案如下圖所示。

      

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      光學透視式增強現實系統具有簡單、分辨率高、沒有視覺偏差等優點,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構來優化畸變(第二光路)

      系統是反向設計。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。不管怎樣,準確建模和優化,系統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。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構來模擬此種效果。

      

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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”.

      分析系統圖,光線需再次在S1面上反射,然后到達像面,這是棱鏡內的全內反射。

      全內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,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據,計算結果越準確。這樣ZOS可以更有效率地優化。同樣,視場應設置X和Y方向點,因為此系統非旋轉對稱系統。

      (TIR)全內反射

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

      優化使用RMS波前差方法,參考是質心參考,增加臂和環的采樣數使得優化性能提高。在優化操作函數中根據需要添加的約束,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、角度和畸變。

      優化放置光學表面S1 ' S1參數使用全局坐標約束(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和功能模式和光學性質的差異引入了誤差。除了使用這些操作數,LDE已經建立了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構的緊密。

      同樣地,傾斜/偏心參數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棱鏡進行了優化。第二光路系統(可視路徑)需要配置和優化,主要通過使用一個輔助透鏡鞏固了FFS棱鏡S2表面

      至此,優化FFS棱鏡(矩形光闌)及其LDE里的參數。

      

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      建立整個OST - HMD系統,輔助透鏡表面S4(如下所示)需要添加到現有的FFS棱鏡。多重結構編輯器(MCE)將被用來將整個系統分為兩個結構,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果覆蓋另一個看起來如下

      

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      建立多重結構,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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      通過多重結構設置將系統分成了兩個獨立的光路。通過多重結構,我們可以分開來優化各光路。也就是說,我們可以進一步優化,一部分是有限物距FFS棱鏡光路使用RMS波前差法來優化,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境(盡管是像面無焦設計)。我們希望無窮遠處的圖像經過護目鏡等成像到視網膜上,畸變小,且無光焦度。

      查看各獨立結構和LDE里的數據,在結構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)。結構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。結構2是只考慮表面0-7,14 - 16和18。

      查看多重結構設置,在config*下的那列數據值為“1”表示操作數是活躍的和“0”指示的操作數是不活躍的/不使用特定的配置。使用多重結構操作數IGNR來使得結構忽略選定的表面。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,結構1)模擬反射屬性,實際上是半透半反表面。在結構2中,光線需要透過,因此更改輔助透鏡材料為PMMA。多重結構操作數AFOC可以激活“無焦像空間”選項 (結構2)。

      

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      使用多重結構,MCE和LDE中的數據都可以得到優化。在優化操作函數編輯器中,使用CONF操作數來控制多重結構的選擇。在conf下列舉的操作數都是用來優化”Cfg#”下的結構,直到遇到下一個操作數CONF.\

      

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      增強現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車行駛在路上。通過增強現實顯示器(最終看起來像一副普通的眼鏡),信息化圖像將出現在您的視野之內,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、其技術構成以及如何使用該技術。

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