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增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR顯示器光路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR)，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。這種技術(shù)1990年提出。隨著隨身電子產(chǎn)品CPU運(yùn)算能力的提升，預(yù)期增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用途將會(huì)越來(lái)越廣。

　　

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　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息(視覺(jué)信息,聲音,味道,觸覺(jué)等),通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息,而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺(jué)化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶利用頭盔顯示器，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(jiǎn)稱HMD)被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用以增強(qiáng)用戶的視覺(jué)沉浸感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示技術(shù)，這就是在AR中廣泛應(yīng)用的穿透式HMD。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)原理又劃分為兩大類，分別是基于光學(xué)原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于視頻合成技術(shù)的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如下圖所示。

　　

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　　光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、分辨率高、沒(méi)有視覺(jué)偏差等優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)也存在著定位精度要求高、延遲匹配難、視野相對(duì)較窄和價(jià)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(gè)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(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化微投影圖像的光路(第一光路)，然后，輔助設(shè)計(jì)棱鏡是用多重結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化畸變(第二光路)

　　系統(tǒng)是反向設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，HMD光源是微型顯示器(如LED、OLED)，圖像將成像于人眼系統(tǒng)。不管怎樣，準(zhǔn)確建模和優(yōu)化，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置成實(shí)際出瞳是ZOS中設(shè)計(jì)的入瞳，微型顯示器作為系統(tǒng)的像面。

　　初始設(shè)定包含定義入瞳為6mm和單個(gè)視場(chǎng)，便于簡(jiǎn)單的光線追跡計(jì)算。一旦設(shè)置完成，可以逐步增加視場(chǎng)角。

　　棱鏡可以使用偏型和傾斜面型來(lái)構(gòu)建，這樣可以綜合考慮光線是怎么傳播的和面型是怎么設(shè)定的。圖2 顯示了光線穿過(guò)棱鏡的路徑和光學(xué)面順序的標(biāo)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(biāo)斷點(diǎn)組，黑色備注表示了光學(xué)面序號(hào)

　　比如第8-10面是光學(xué)面9，對(duì)應(yīng)的是標(biāo)注的表面S1,第8面和第10面是光學(xué)面9的坐標(biāo)斷點(diǎn)面，用來(lái)傾斜和偏心的虛擬面。

　　當(dāng)建模至如上圖所示，設(shè)置孔徑光闌(入瞳)為全局坐標(biāo)參考，棱鏡的第一個(gè)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(guò)S1表面(光學(xué)面3)至S2(光學(xué)面6)。光學(xué)面6是反射面，用來(lái)反射光線至棱鏡內(nèi)。實(shí)際使用過(guò)程中，此面是鍍上半透半反膜：反射光線至棱鏡內(nèi)然后到達(dá)微型顯示器，部分光線可直接穿透可看清前方。后面我們會(huì)使用多重結(jié)構(gòu)來(lái)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(diǎn)：1 為更好地查看光線路徑，微型顯示器應(yīng)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(tǒng)圖，光線需再次在S1面上反射，然后到達(dá)像面，這是棱鏡內(nèi)的全內(nèi)反射。

　　全內(nèi)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(lái)使得S1面和S3面是相同的。在坐標(biāo)斷點(diǎn)面上設(shè)置pick up參數(shù)，同樣用來(lái)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(gè)面型一致，設(shè)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(chǎng)設(shè)置許多設(shè)置幾個(gè)視場(chǎng)，因?yàn)樽杂汕嬗?jì)算更多的視場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。這樣ZOS可以更有效率地優(yōu)化。同樣，視場(chǎng)應(yīng)設(shè)置X和Y方向點(diǎn)，因?yàn)榇讼到y(tǒng)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)。

　　(TIR)全內(nèi)反射

　　光學(xué)面的孔徑通過(guò)調(diào)整半孔徑高和孔徑類型來(lái)調(diào)整。此系統(tǒng)的孔徑是方形孔徑。方形孔徑可以通過(guò)表面特性中“Aperture type”來(lái)設(shè)置，設(shè)置成“Rectangular Aperture”。

　　優(yōu)化使用RMS波前差方法，參考是質(zhì)心參考，增加臂和環(huán)的采樣數(shù)使得優(yōu)化性能提高。在優(yōu)化操作函數(shù)中根據(jù)需要添加的約束，主要約束包括有效焦距(EEFL),厚度,全局坐標(biāo),光程長(zhǎng)度,傾斜/偏心參數(shù)、角度和畸變。

　　優(yōu)化放置光學(xué)表面S1 ' S1參數(shù)使用全局坐標(biāo)約束(GLCZ / GLCY / GLCZ),因?yàn)殡m然這只是一個(gè)表面;它只是建模為兩個(gè)表面，隨著光線通過(guò)棱鏡由于序列的性質(zhì)和功能模式和光學(xué)性質(zhì)的差異引入了誤差。除了使用這些操作數(shù)，LDE已經(jīng)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(shí)際應(yīng)用中就是保持機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊密。

　　同樣地,傾斜/偏心參數(shù)約束保持通用棱鏡的形狀和防止表面互相偏離太強(qiáng)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(jìn)行了優(yōu)化。第二光路系統(tǒng)(可視路徑)需要配置和優(yōu)化,主要通過(guò)使用一個(gè)輔助透鏡鞏固了FFS棱鏡S2表面

　　至此,優(yōu)化FFS棱鏡(矩形光闌)及其LDE里的參數(shù)。

　　

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　　建立整個(gè)OST - HMD系統(tǒng),輔助透鏡表面S4(如下所示)需要添加到現(xiàn)有的FFS棱鏡。多重結(jié)構(gòu)編輯器(MCE)將被用來(lái)將整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)，具體設(shè)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(gè)配置和配置的結(jié)果覆蓋另一個(gè)看起來(lái)如下

　　

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　　建立多重結(jié)構(gòu)，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(guò)在圖像 )。

　　

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　　通過(guò)多重結(jié)構(gòu)設(shè)置將系統(tǒng)分成了兩個(gè)獨(dú)立的光路。通過(guò)多重結(jié)構(gòu)，我們可以分開來(lái)優(yōu)化各光路。也就是說(shuō),我們可以進(jìn)一步優(yōu)化，一部分是有限物距FFS棱鏡光路使用RMS波前差法來(lái)優(yōu)化，另一部分是無(wú)焦的可視輔助透鏡。在可視光路中，我們想能透過(guò)護(hù)目鏡來(lái)觀察周圍環(huán)境(盡管是像面無(wú)焦設(shè)計(jì))。我們希望無(wú)窮遠(yuǎn)處的圖像經(jīng)過(guò)護(hù)目鏡等成像到視網(wǎng)膜上，畸變小，且無(wú)光焦度。

　　查看各獨(dú)立結(jié)構(gòu)和LDE里的數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)1中，LDE中光學(xué)面是光學(xué)面0-13和像面(LDE中的光學(xué)面17和18)。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2是只考慮表面0-7,14 - 16和18。

　　查看多重結(jié)構(gòu)設(shè)置，在config*下的那列數(shù)據(jù)值為“1”表示操作數(shù)是活躍的和“0”指示的操作數(shù)是不活躍的/不使用特定的配置。使用多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)IGNR來(lái)使得結(jié)構(gòu)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(shù)中改變表面的材料類型,這個(gè)表面最初表示作為一個(gè)鏡子(投影成像路徑,結(jié)構(gòu)1)模擬反射屬性，實(shí)際上是半透半反表面。在結(jié)構(gòu)2中,光線需要透過(guò)，因此更改輔助透鏡材料為PMMA。多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)AFOC可以激活“無(wú)焦像空間”選項(xiàng) (結(jié)構(gòu)2)。

　　

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　　使用多重結(jié)構(gòu)，MCE和LDE中的數(shù)據(jù)都可以得到優(yōu)化。在優(yōu)化操作函數(shù)編輯器中，使用CONF操作數(shù)來(lái)控制多重結(jié)構(gòu)的選擇。在conf下列舉的操作數(shù)都是用來(lái)優(yōu)化”Cfg#”下的結(jié)構(gòu)，直到遇到下一個(gè)操作數(shù)CONF.\

　　

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　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qū)車行駛在路上。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器(最終看起來(lái)像一副普通的眼鏡)，信息化圖像將出現(xiàn)在您的視野之內(nèi)，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(qiáng)信息將隨時(shí)更新，以反映當(dāng)時(shí)大腦的活動(dòng)。在這篇文章中，我們將了解這項(xiàng)未來(lái)技術(shù)、其技術(shù)構(gòu)成以及如何使用該技術(shù)。