模拟 AR 系统中的全息光波导:第一部分

AR系统通常使用全息图将光耦合到波导中,从而将光从显示引擎传输到佩戴者的眼睛。本文演示了如何在OpticStudio中使用全息图表面作为平面波导结构内的耦合器。

作者 Sean Lin and Michael Cheng

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简介

增强现实 (AR) 是一种将在屏幕上的虚拟世界与现实世界的场景结合并交互的技术。本文演示了如何利用全息技术在序列模式下建立一个用于增强现实的光学系统。

增强现实系统和全息图

全息图是记录在高分辨率感光乳剂上的干涉图案。全息系统的使用中存在两个不同的阶段:构造阶段和重构阶段,分别适用于全息图的构建和作为光学元件的使用。有关该主题的详细内容,请参考文章:“如何在OpticStudio中建模全息图”。

在普通的AR系统中,光通过全息图耦合到波导中,从而将相关信息从显示器传输到眼睛。波导的优点是它很大程度上是透明的,不会阻挡来自现实世界的光。在这篇文章中,我们将指导您使用嵌入PMMA材料的反射全息图来建模一个简单的AR设计。

规格和设计策略

我们将从一个简单的设计开始,然后进一步完善系统。初始规格是:

  • 出瞳距离= 15mm
  • 瞳孔直径= 3mm
  • FOV = 10度
  • 波导厚度= 10mm

光线将通过全息图耦合到波导中。全息图将被嵌入到PMMA材料中且出口面将会倾斜45度。根据程序的实际工作方式,系统会被“反向”建模。现实中(物理系统中),AR系统的光源是微显示器,而成像平面将是人眼的视网膜(AR系统的出瞳和人眼系统的入瞳将被放置在同一位置)。但为了在OpticStudio中准确建模且有效优化系统,物理系统的出瞳被定义为在OpticStudio中建模系统的入瞳,而微显示器被视为系统的“像平面”。因此,本文中任何光线都是按照在OpticStudio中建模的方式来描述的。

初始设计

初始设计初始条件设置包括:

  • 入瞳直径 = 3.0 mm
  • 视场点位于 Y 轴 0 度,5 度和 -5 度处
  • 波长 = 0.55 µm

首先在光阑后添加两个表面,设置如下图所示。然后使用倾斜/偏心工具将全息图表面围绕 X 轴旋转45度。

   

接下来我们将设置全息图,所以需要定义两个构造光束。为了从全息图中获得衍射光的方向,构造光束必须经过准直,光束2必须汇聚成一个虚拟焦点。我们需要使用全息图进行反射,所以它的材质必须设置为“ 镜面 (Mirror) ”。这明确地表明OpticStudio光线在到达全息图表面后将以相反的方向传播。

根据这个思路,我们将构造光源点的坐标 (x, y, z) 设置如下。光束1是准直光束 (0, -∞, -∞) 。光束 2 的构造点设置在 (0, 0, -100) ,这样会使光束聚焦在离全息图100 mm的地方。

我们假设全息图由波长为0.55µm 的光构造,并且全息图在构建的过程中会被嵌入到PMMA材料内。由于全息图将被嵌入非空气材料中,我们将需要在输入参数“ 构造波 ”时对波长进行缩放。PMMA材料在0.55µm 的光通过时的折射率为1.49358,因此构造光波长为0.55/1.49358 = 0.3682 µm。

为了更方便查看布局图,我们可以使用一个小技巧。由于绘制两个表面之间的边缘是没有意义的,所以转到表面属性 (Surface Properties) …绘图 (Draw) 并勾选选项“ 不显示此表面边缘 (Do Not Draw Edges From This Surface) ”。将此设置应用到表面 2 到像平面之间的所有表面。

为了模拟光在波导中的传播,我们在全息图表面之后再添加5个表面。前4个表面模拟波导的侧边,光在那里发生全反射 (TIR) 并从最后一个表面离开波导材料。

    

接下来,我们可以使用主光线求解使每个镜面的中心都位于主光线上。主光线求解只适用于坐标间断面,所以我们需要在每个表面之前添加坐标间断。为偏心x或y参数设置求解时,主光线求解会自动设置数值,使得在指定波长(波长0表示主波长)所选视场的真实主光线,位于坐标间断之后表面的中央。如下图所示,插入6个坐标间断面,并在每个断点的“ Y-偏心 (Decenter Y) ”参数上放置一个主光线求解。

  

准备优化

至此,初步设计已基本完成,我们将开始优化系统。首先,使用优化向导设置RMS光斑大小作为像质标准。然后将构造Z2设置为变量,这样我们可以快速修改全息图的光角度。

第一次优化的结果显示了在像面上实现最小的RMS光斑半径时所需的全息图光焦度最佳结果。有了初始设计之后,我们将对这个系统进行一系列优化,包括扩大FOV、增加入瞳的直径(相当于增加眼动范围)、使波导更薄等。

      

参考资料

1. Konica Minolta Technology Report Vol.1 (2004)

2. OpticStudio help files

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KA-01850

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