AR系統(tǒng)通常使用全息圖將光耦合到波導(dǎo)中，從而將光從顯示引擎?zhèn)鬏數(shù)脚宕髡叩难劬?。本文演示了如何?OpticStudio 中使用全息圖表面作為平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的耦合器。

作者 Sean Lin and Michael Cheng

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簡(jiǎn)介

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 是一種將在屏幕上的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景結(jié)合并交互的技術(shù)。本文演示了如何利用全息技術(shù)在序列模式下建立一個(gè)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的光學(xué)系統(tǒng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和全息圖

全息圖是記錄在高分辨率感光乳劑上的干涉圖案。全息系統(tǒng)的使用中存在兩個(gè)不同的階段：構(gòu)造階段和重構(gòu)階段，分別適用于全息圖的構(gòu)建和作為光學(xué)元件的使用。有關(guān)該主題的詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參考文章：“如何在OpticStudio中建模全息圖”。

在普通的AR系統(tǒng)中，光通過(guò)全息圖耦合到波導(dǎo)中，從而將相關(guān)信息從顯示器傳輸?shù)窖劬Α２▽?dǎo)的優(yōu)點(diǎn)是它很大程度上是透明的，不會(huì)阻擋來(lái)自現(xiàn)實(shí)世界的光。在這篇文章中，我們將指導(dǎo)您使用嵌入PMMA材料的反射全息圖來(lái)建模一個(gè)簡(jiǎn)單的AR設(shè)計(jì)。

規(guī)格和設(shè)計(jì)策略

我們將從一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)開(kāi)始，然后進(jìn)一步完善系統(tǒng)。初始規(guī)格是：

出瞳距離= 15mm
瞳孔直徑= 3mm
FOV = 10度
波導(dǎo)厚度= 10mm

光線將通過(guò)全息圖耦合到波導(dǎo)中。全息圖將被嵌入到PMMA材料中且出口面將會(huì)傾斜45度。根據(jù)程序的實(shí)際工作方式，系統(tǒng)會(huì)被“反向”建?！，F(xiàn)實(shí)中（物理系統(tǒng)中），AR系統(tǒng)的光源是微顯示器，而成像平面將是人眼的視網(wǎng)膜（AR系統(tǒng)的出瞳和人眼系統(tǒng)的入瞳將被放置在同一位置）。但為了在OpticStudio中準(zhǔn)確建模且有效優(yōu)化系統(tǒng)，物理系統(tǒng)的出瞳被定義為在OpticStudio中建模系統(tǒng)的入瞳，而微顯示器被視為系統(tǒng)的“像平面”。因此，本文中任何光線都是按照在OpticStudio中建模的方式來(lái)描述的。

初始設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)初始條件設(shè)置包括：

入瞳直徑 = 3.0 mm
視場(chǎng)點(diǎn)位于 Y 軸 0 度，5 度和 -5 度處
波長(zhǎng) = 0.55 μm

首先在光闌后添加兩個(gè)表面，設(shè)置如下圖所示。然后使用傾斜/偏心工具將全息圖表面圍繞 X 軸旋轉(zhuǎn)45度。

接下來(lái)我們將設(shè)置全息圖，所以需要定義兩個(gè)構(gòu)造光束。為了從全息圖中獲得衍射光的方向，構(gòu)造光束必須經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直，光束2必須匯聚成一個(gè)虛擬焦點(diǎn)。我們需要使用全息圖進(jìn)行反射，所以它的材質(zhì)必須設(shè)置為“ 鏡面 (Mirror) ”。這明確地表明OpticStudio光線在到達(dá)全息圖表面后將以相反的方向傳播。

根據(jù)這個(gè)思路，我們將構(gòu)造光源點(diǎn)的坐標(biāo) (x, y, z) 設(shè)置如下。光束1是準(zhǔn)直光束 (0, -∞, -∞) 。光束 2 的構(gòu)造點(diǎn)設(shè)置在 (0, 0, -100) ，這樣會(huì)使光束聚焦在離全息圖100 mm的地方。

我們假設(shè)全息圖由波長(zhǎng)為0.55μm 的光構(gòu)造，并且全息圖在構(gòu)建的過(guò)程中會(huì)被嵌入到PMMA材料內(nèi)。由于全息圖將被嵌入非空氣材料中，我們將需要在輸入?yún)?shù)“ 構(gòu)造波 ”時(shí)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行縮放。PMMA材料在0.55μm 的光通過(guò)時(shí)的折射率為1.49358，因此構(gòu)造光波長(zhǎng)為0.55/1.49358 = 0.3682 μm。

為了更方便查看布局圖，我們可以使用一個(gè)小技巧。由于繪制兩個(gè)表面之間的邊緣是沒(méi)有意義的，所以轉(zhuǎn)到表面屬性 (Surface Properties) …繪圖 (Draw) 并勾選選項(xiàng)“ 不顯示此表面邊緣 (Do Not Draw Edges From This Surface) ”。將此設(shè)置應(yīng)用到表面 2 到像平面之間的所有表面。

為了模擬光在波導(dǎo)中的傳播，我們?cè)谌D表面之后再添加5個(gè)表面。前4個(gè)表面模擬波導(dǎo)的側(cè)邊，光在那里發(fā)生全反射 (TIR) 并從最后一個(gè)表面離開(kāi)波導(dǎo)材料。

接下來(lái)，我們可以使用主光線求解使每個(gè)鏡面的中心都位于主光線上。主光線求解只適用于坐標(biāo)間斷面，所以我們需要在每個(gè)表面之前添加坐標(biāo)間斷。為偏心x或y參數(shù)設(shè)置求解時(shí)，主光線求解會(huì)自動(dòng)設(shè)置數(shù)值，使得在指定波長(zhǎng)（波長(zhǎng)0表示主波長(zhǎng)）所選視場(chǎng)的真實(shí)主光線，位于坐標(biāo)間斷之后表面的中央。如下圖所示，插入6個(gè)坐標(biāo)間斷面，并在每個(gè)斷點(diǎn)的“ Y-偏心 (Decenter Y) ”參數(shù)上放置一個(gè)主光線求解。

準(zhǔn)備優(yōu)化

至此，初步設(shè)計(jì)已基本完成，我們將開(kāi)始優(yōu)化系統(tǒng)。首先，使用優(yōu)化向?qū)гO(shè)置RMS光斑大小作為像質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。然后將構(gòu)造Z2設(shè)置為變量，這樣我們可以快速修改全息圖的光角度。

第一次優(yōu)化的結(jié)果顯示了在像面上實(shí)現(xiàn)最小的RMS光斑半徑時(shí)所需的全息圖光焦度最佳結(jié)果。有了初始設(shè)計(jì)之后，我們將對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一系列優(yōu)化，包括擴(kuò)大FOV、增加入瞳的直徑（相當(dāng)于增加眼動(dòng)范圍）、使波導(dǎo)更薄等。

參考資料

1. Konica Minolta Technology Report Vol.1 (2004）
2. OpticStudio help files