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如何在序列模式中使用楔形棱鏡和自由曲面建立頭戴式顯示器

LD18688690737 ? 來(lái)源:Ansys 光電大本營(yíng) ? 2023-03-24 09:23 ? 次閱讀
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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。

簡(jiǎn)介

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(hù)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。

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)。

參考專(zhuān)利

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

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。

下圖參考自專(zhuān)利并稍加修改。

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設(shè)計(jì)方針

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。

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。

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)。

由于序列模式(Sequential Mode)無(wú)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(gè)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(shí)際情況。在完成對(duì)單一視場(chǎng)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(huì)納入制造上的考慮,并對(duì)整個(gè)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(jiǎn)化一開(kāi)始的光線追跡過(guò)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(chǎng)點(diǎn)(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(guò)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)

在序列模式中,我們利用多個(gè)傾斜或偏心表面建立棱鏡。為了確認(rèn)各表面的位置和存在必要性,我們必須思考系統(tǒng)中的光線是如何通過(guò)棱鏡,并與各表面交互作用的。在下方示意圖中我們可以清楚看到光線的路徑、各表面的作用和編號(hào),這些信息有助于棱鏡模型的建立。

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上方示意圖中的紅色數(shù)字代表該表面在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor, LDE)中的表面編號(hào),Coordinate Break的存在已納入考慮。至于“S#”則代表了棱鏡的實(shí)際表面,可以在本文參考的專(zhuān)利模型中找到對(duì)應(yīng)的表面。(我們也可以在LDE中的Comment區(qū)域看到上述的編號(hào))

舉例,我們可以看到上方紅框中的8-9-10表面代表了示意圖中的表面9,同時(shí)也代表了實(shí)際棱鏡的S1’表面,即S1的反射面(內(nèi)表面)。而表面8和10則分別代表了LDE中的表面8和10,并作為表面9的Coordinate Break。

進(jìn)行以上步驟時(shí),光闌(stop, 在此為系統(tǒng)的入瞳)位置將被設(shè)為全局坐標(biāo)參考(Global Coordinate Reference)。棱鏡的第一面(S1或是Coordinate Break加入后LDE中的Surface 3)位于光闌后方18.25mm處,等同于Surface 1在LDE中的厚度。而這個(gè)距離在實(shí)際應(yīng)用上是作為使用裝置時(shí)的適眼距(eye relief)。除了坐標(biāo)的設(shè)定之外,我們還需要思考如何設(shè)計(jì)表面的傾斜或偏心,才能使入射光順利到達(dá)像面。專(zhuān)利設(shè)計(jì)中的參數(shù)和示意圖可以在這方面提供不少幫助。

如下方示意圖,可以看到入射光自S1(LDE中的Surface 3)進(jìn)入棱鏡,接著落在S2(LDE中的Surface 6)上。示意圖中的S2作為一個(gè)平面鏡,使進(jìn)入棱鏡的光線全數(shù)反射。在實(shí)際應(yīng)用上S2是一個(gè)鍍膜的半反射鏡(half-mirror)。光線在到達(dá)該表面后會(huì)分成兩個(gè)行進(jìn)路徑: 1)在棱鏡內(nèi)部發(fā)生反射,最后到達(dá)上方的微顯示器;2)使外界光線順利通過(guò)的透射路徑。我們會(huì)在稍后的篇幅使用多重結(jié)構(gòu)化編輯器建立第二道光路。為了使光線符合示意圖中的行進(jìn)方向,我們會(huì)再次使用傾斜和偏心的功能調(diào)整表面的位置。

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注意: 為了更完整的呈現(xiàn)光線追跡路徑,我們根據(jù)專(zhuān)利中微顯示器的位置對(duì)像面進(jìn)行調(diào)整,透過(guò)表面的傾斜或偏心使光學(xué)組件呈現(xiàn)正確的幾何關(guān)系。

檢視光路圖,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光線須在S1的內(nèi)表面(即S1’)反射,才能順利抵達(dá)微顯示器(像面)。根據(jù)專(zhuān)利的說(shuō)明,前述的光線轉(zhuǎn)折是由界面處的全反射(TIR)所造成。我們?cè)诤罄m(xù)的”全反射(TIR)”段落中會(huì)提到更詳盡描述,此處僅針對(duì)OpticStudio的操作做說(shuō)明。

由于在序列模式中無(wú)法仿真TIR,因此我們需要額外將S1’設(shè)為反射鏡表面。此外,將表面的求解(Solve type)設(shè)為Pickup,可使此表面更符合S1(LDE中的surface 3)的實(shí)際表現(xiàn),允許入射光同時(shí)呈現(xiàn)反射和穿透的現(xiàn)象。我們可以根據(jù)下圖完成上述的設(shè)定步驟,使各表面對(duì)應(yīng)的參數(shù)隨LDE中Surface 9變更。

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最后我們以相同的方式在像面(LDE中的Surface 12)前插入一個(gè)表面,并設(shè)定正確的x-tilt和y-decenter。

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定義視角 (FOV)

由于自由曲面的設(shè)計(jì)會(huì)隨視場(chǎng)(field)變化,為了分析系統(tǒng)的FOV我們需要盡可能設(shè)定更多的視場(chǎng)點(diǎn)。OpticStudio允許使用者在給定的視場(chǎng)中間分割,并有效率進(jìn)行優(yōu)化。此外,這些視場(chǎng)點(diǎn)還必須在X和Y方向給予定義。由于范例檔案中的光學(xué)系統(tǒng)并非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)(該系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)于YZ平面,但對(duì)XZ平面是非對(duì)稱(chēng)的),我們無(wú)法確保光線在正向和負(fù)向均有相同的行進(jìn)路線。

全反射 (TIR)

在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中,從微顯示器出發(fā)的光線會(huì)在S1’面發(fā)生TIR。當(dāng)光線從高折射率的介質(zhì)射向折射率較低的介質(zhì),且入射角大于臨界角時(shí),此現(xiàn)象可能會(huì)發(fā)生在兩介質(zhì)的交界面。TIR的臨界角如下所示:

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ni 代表光線入射的介質(zhì)折射率,而nr 代則是發(fā)生折射的介質(zhì)折射率。在本范例中,光線自PMMA(n=1.492)射向S1’表面。此時(shí)S1’表面的外側(cè)為空氣,因此nr=1。由以上的關(guān)系式我們可以得到TIR發(fā)生的臨界角(θc)為 42.09度。實(shí)際的光線入射角會(huì)成為優(yōu)化過(guò)程中的約束條件。

創(chuàng)建矩形孔徑

我們可以在LDE的semi-diameter參數(shù)調(diào)整表面上的孔徑(aperture)大小??紤]現(xiàn)實(shí)中楔形棱鏡的幾何關(guān)系,本范例中會(huì)以矩形孔徑的形式呈現(xiàn)。矩形孔徑可被定義在棱鏡的任何表面上,我們可以在 Surface Property…Aperture Type中將孔徑改為Rectangular Type。(由于Coordinate Break是虛擬表面,這些表面不會(huì)對(duì)光線行進(jìn)造成任何改變,因此我們無(wú)法在此定義孔徑。)

優(yōu)化

系統(tǒng)針對(duì)RMS波前(wavefront)進(jìn)行優(yōu)化,并且以質(zhì)心(centroid)為參考點(diǎn)。我們可以逐步增加光瞳采樣(Pupil Integration)中的環(huán)(ring)和臂(arm)以改良設(shè)計(jì)。以上步驟均可在優(yōu)化函數(shù)編輯器(Merit Function Editor)中完成。至于約束條件的部分,我們可以選擇以有效焦距(EFL)、厚度、全局坐標(biāo)、光線路徑長(zhǎng)度、傾斜/偏心參數(shù)、角度和畸變等物理量作為限制。

首先,我們需要使用全局坐標(biāo)約束條件(GLCX/GLCY/GLCZ)確保S1和S1’表面(LDE中的Surface 9和3)對(duì)齊,畢竟在實(shí)際應(yīng)用上這兩個(gè)面本來(lái)就是一體的。這些操作數(shù)(operand)將被用在surface 9和3的pickup參數(shù)上。

為了使整體光學(xué)架構(gòu)更為簡(jiǎn)潔,我們可將光線路徑長(zhǎng)度作為約束條件。特別是從S3到像面以及S1’到像面的距離,針對(duì)這兩個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)行限制可確保像面被放在合理的位置。

對(duì)表面的傾斜/偏心參數(shù)進(jìn)行限制可使棱鏡在優(yōu)化過(guò)程中保持正常的形狀,避免出現(xiàn)其中一個(gè)表面異常遠(yuǎn)離其他表面的現(xiàn)象。一開(kāi)始所有表面的型態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)透鏡(Standard Lens),在優(yōu)化的過(guò)程中會(huì)漸漸的變成偶次非球面(Even Asphere),部分表面最后將變?yōu)樽杂汕嫘蛻B(tài)。在本案例中,S1、S1’和S3表面(LDE中的 surface 3, 9, 12)會(huì)以Extended Polynomial的型態(tài)呈現(xiàn),surface 2則會(huì)是Even Asphere。

設(shè)定多重結(jié)構(gòu)化編輯器(Multi-Configuration Editor)

到目前為止,第一道光路(投影路徑)的優(yōu)化已大致完成。接下來(lái)我們將進(jìn)行第二道光路(透視路徑)的建立和優(yōu)化。在這個(gè)階段中,我們主要針對(duì)S2表面上的輔助鏡頭(auxiliary lens)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

下圖為FFS棱鏡優(yōu)化完成后的LDE,參數(shù)可能會(huì)因?yàn)閮?yōu)化的過(guò)程和視場(chǎng)的添加而存在些微的差異。我們可以在最終的范例檔案中得到非球面和自由曲面系數(shù)。

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注意: 在進(jìn)行優(yōu)化后,各表面在LDE中會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色。我們也可以根據(jù)偏好在surface property中對(duì)顏色進(jìn)行變更。

在進(jìn)行輔助鏡頭的建構(gòu)時(shí),我們首先將S4加入已建立的FFS棱鏡模型中。此時(shí)多重結(jié)構(gòu)編輯器(Multi-Configuration Editor, MCE)可以幫助我們將整個(gè)系統(tǒng)一分為二。如下圖,我們可以看到投影路徑和透視路徑清楚的呈現(xiàn)。

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在根據(jù)光路對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行劃分前,我們需要先在像面前加入S4表面(在實(shí)際應(yīng)用上,S4會(huì)是第二道光路的光線在到達(dá)像面前的最后一個(gè)表面)。在LDE中加入S4和對(duì)應(yīng)的Coordinate Break后的結(jié)果如下(surface 14, 15, 16為新增的內(nèi)容)。

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接下來(lái)我們會(huì)以多重結(jié)構(gòu)編輯器(Multi-Configuration Editor, MCE)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行劃分。在明確的分割系統(tǒng)后,我們可針對(duì)不同目標(biāo)和表面特性對(duì)單一光路進(jìn)行優(yōu)化。舉例而言,設(shè)計(jì)者可以在針對(duì)FFS棱鏡以RMS波前和有限遠(yuǎn)像面優(yōu)化的同時(shí),對(duì)輔助鏡頭和透視光路以無(wú)焦(afocal)為目標(biāo)進(jìn)行相同操作。在透視路徑中,我們希望能在配戴裝置的情況下仍可清晰看到外界景物,因此像面在這道光路中不會(huì)是位于焦點(diǎn)上的。為了使HMD的存在不影響使用者正常觀看周遭環(huán)境,在模擬中我們必須使無(wú)窮遠(yuǎn)出發(fā)的影像光線能順利映像在人眼的角膜(cornea)上。

同時(shí),我們還需要對(duì)輔助鏡頭進(jìn)行優(yōu)化,減少透視光路的畸變并消除光學(xué)系統(tǒng)的屈光效果。關(guān)于MCE的設(shè)定,我們可以在Help Files中找到許多有用的信息。(推薦閱讀 “Multiple Configuration Editor” 和 “Multi-Configuration Operands” 這兩個(gè)段落)

觀察上方個(gè)別光路的示意圖和LDE,可以發(fā)現(xiàn)第一道光路包含了LDE中surface 0到surface 13的所有組件,以及像面(surface 17, 18)。第二道光路則涵蓋了S1和S2表面,但不包括S1’和S3表面。因此在針對(duì)此光路進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí),S1’和S3及相對(duì)應(yīng)的Coordinate Break均會(huì)被忽略,僅會(huì)考慮Surfaces 0-7, 14-16 和 18。同時(shí),像面的Coordinate Break也會(huì)被忽略,因?yàn)槲覀兿M衩婵梢源怪庇赯軸,正如實(shí)際應(yīng)用上的外界入射光。

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在上方的MCE中,我們可以看到在configuration被設(shè)置為參數(shù) ”1”,代表該操作數(shù)是有效的,而”0”則代表了該操作數(shù)不會(huì)對(duì)優(yōu)化結(jié)果造成影響。透過(guò)操作數(shù)IGNR的設(shè)置,我們可以決定哪些表面會(huì)真正影響模擬結(jié)果,而哪些表面則是要被忽略的。舉例而言,觀察MCE我們可以發(fā)現(xiàn)surface 14到16(第3到5橫列)不會(huì)對(duì)第一道光路造成影響。

此外還有一點(diǎn)特別重要的是操作數(shù)GLSS的使用,我們利用這個(gè)操作數(shù)將Surface 6(FFS棱鏡的S2)材質(zhì)改為玻璃。該表面在一開(kāi)始的第一道光路中被當(dāng)作反射鏡表面,為了模擬第二道光路,我們必須賦予該表面可被穿透的特性,以便在序列模式下同時(shí)仿真出透射和反射的效果。此外,多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)AFOC可使第二道光路中的 ”離焦空間(Afocal Image Space)” 設(shè)置被啟用。

在優(yōu)化多重結(jié)構(gòu)的過(guò)程中,MCE和LDE的參數(shù)均可被調(diào)整以改進(jìn)結(jié)果。我們可以借由操作數(shù)CONF將操作數(shù)歸類(lèi)到多重結(jié)構(gòu)的其中一種結(jié)構(gòu)中,這些操作數(shù)只會(huì)對(duì)該結(jié)構(gòu)造成影響。在CONF后方的”Cfg#”輸入結(jié)構(gòu)的編號(hào),例如本例的第一道光路即輸入”1”,MCE會(huì)將此橫列下方的所有操作數(shù)納入該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算,直到下一個(gè)CONF出現(xiàn)為止。

分析

我們可以利用MCE或者其他工具欄的功能對(duì)系統(tǒng)的表現(xiàn)進(jìn)行分析。由于本范例中的模型使用了自由曲面且具有缺乏旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的特性,我們使用了Huygens PSF的分析方法。(若想了解更多關(guān)于MTF分析的使用,請(qǐng)參考這篇文章"Why are FFT and Huygens MTF results different on tilted image surfaces?":https://support.zemax.com/hc/articles/1500005576222)

如果想在分析的過(guò)程中加入矢高(sag)和曲率(curvature)的考慮,我們可以在上方工具欄中依序選擇分析(Analyze)...表面(Surface)...矢高圖(Sag)/曲率圖(Curvature)。更多細(xì)節(jié)上的變更可以在設(shè)定(Settings)選單中完成。

視場(chǎng)光焦圖(Field Map)是另一個(gè)我們可以選用的分析工具,我們可以在分析(Analyze)...PAL/Freeform中找到這個(gè)功能。在設(shè)定選單中我們可以針對(duì)各種特性進(jìn)行分析,例如特定表面的光焦度(power)。在本范例中,我們使用該功能評(píng)估在透視路徑(see-through path)中光線抵達(dá)像面時(shí)所受到屈光的影響。要達(dá)到使人眼無(wú)法辨別差異的程度,設(shè)計(jì)者必須盡可能減少光學(xué)系統(tǒng)的屈光能力(約小于0.5D),才可降低使用時(shí)的疲勞和不適感。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:在Zemax OpticStudio中建立增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器

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    評(píng)論

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    發(fā)表于 07-11 14:01 ?4636次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 08-15 14:54 ?6111次閱讀

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    發(fā)表于 09-04 09:54

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    發(fā)表于 05-24 15:42 ?3263次閱讀

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    發(fā)表于 10-01 10:00 ?2242次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 12-03 17:16 ?4088次閱讀

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    發(fā)表于 02-15 15:19 ?1427次閱讀
    蘋(píng)果獲<b class='flag-5'>頭戴式</b><b class='flag-5'>顯示器</b>光學(xué)系統(tǒng)新專(zhuān)利

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    發(fā)表于 03-10 09:57 ?1131次閱讀
    Apple新專(zhuān)利曝光 將用于<b class='flag-5'>頭戴式</b><b class='flag-5'>顯示器</b>熱調(diào)節(jié)

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    的頭像 發(fā)表于 11-25 15:06 ?2817次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 12-18 10:09 ?2430次閱讀
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    發(fā)表于 11-02 08:16 ?0次下載
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    蘋(píng)果Vision Pro頭戴式顯示器媒體評(píng)測(cè)細(xì)節(jié)揭秘

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    的頭像 發(fā)表于 01-10 14:29 ?1190次閱讀