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增强现实(AR)系统为多道光路的架构和自由曲面(free-from optics)的使用提供了良好的示范。这篇文章说明了如何在序列模式中,使用楔形棱镜(wedge-shaped prism)和自由曲面建立头戴式显示器(HMD)。我们将以三个范例档案演示不同阶段的模型建立。(联系我们获取文章附件) 2I$-&c] /0 2-0mNv 简介 O&g$dK!Rad F a+#bX7 在设计一个增强现实(augmented reality, AR)透视头戴式显示器(OST-HMD)时,我们会针对两道光路进行优化:微显示器的投影路径以及供用户看见外界的透视路径。为了达到最佳的AR效果,光学设计者必须确保虚拟图像和现实景物能正确结合。此技术可被广泛应用在军事和医疗辅助等方面。 5c
($~EFr 考虑到实际用途,设计者必须将整个光学系统设计成一个精巧且非侵入式的装置,同时具备大视角(FOV)和小f-number等优点。这篇文章说明如何使用楔形自由曲面棱镜和胶合辅助镜头(cemented auxiliary lens)建立上述的光学系统。 sI<PYi={-6 b=PB" - 参考专利 CaB@,L 3]rd!Gp=* 本文的范例参考了专利Patent US 2014/0009845 A1的设计。 | K w}S/F )0XJOm 在范例档案中,我们针对各表面大量的运用了倾斜(tilt)和偏心(decenter)技巧。在下方的示意图中,我们可以看到系统使用自由曲面棱镜(FFS prism)和胶合辅助镜头(cemented auxiliary lens, 图中黄色部分)这两个光学组件改变入射光的行进方向。FFS的使用增加了设计的自由度,使系统可使用较少的光学组件达成目的,大幅减少装置的重量。另一方面,胶合辅助镜头(cemented auxiliary lens)可有效修正畸变,改善透视影像的质量。 fx=HK t bIy:~z5
下图参考自专利并稍加修改。 '*=kt ~0V,B1a 设计方针 \Z8:^ct.P OST-HMD包含了两个光学组件:1)楔形FFS棱镜 和 2) 胶合辅助镜头。在OpticStudio中我们会先建立FFS棱镜,并根据原始规格进行参数设定,接着以微显示器投影路径(第一道光路)为目标进行优化。在完成上述步骤后,我们在多重结构编辑器(multi-configuration editor)中建立胶合辅助镜头。借由这个镜头的辅助,可以有效减少畸变的影响,并消除光学系统的场曲情况。透过以上的步骤,我们可以改善第二道光路使观察者看到的外界景物不会扭曲变形。 UPcx xtC 在仿真环境中,我们翻转了整个光学系统,使光线路径与现实情况完全相反。在实际应用上,我们会以微显示器作为HMD的光源,人眼的视网膜则会是像面。前后者分别作为整个光学路径的出/入瞳。然而为了精确的架设各个组件且能有效的在OpticStudio中进行优化,我们会将实际的出瞳作为OpticStudio中的入瞳,并以微显示器作为整个系统的像面。在接下来的篇幅,我们都会以光线在OpticStudio中的追迹方向来描述。 -izZ D 关于HMD的建立,首先我们会逐一插入表面以建立棱镜,并追迹单一视场角(field angle)的一条主光线。接下来,为了倾斜棱镜使光线按预期的路线行进,我们会在适当的位置插入Coordinate Break表面。此外,我们还需要考虑组件的几何关系,并为各表面设定适合的材质,使这个光学系统成为一个合理的设计。 -'Oq.$Qq v5A8"&Jr ~y" ^t@!E 由于序列模式(Sequential Mode)无法仿真出全反射(TIR)的现象,我们必须在发生TIR的表面上再覆盖上一个表面,并定义该表面为具有Pickup solves的反射镜表面(MIRROR),使追迹光线能符合实际情况。在完成对单一视场的优化之后,我们接着利用多重结构编辑器(Multi-Configuration Editor, MCE)建立第二道光路。最后我们会纳入制造上的考虑,并对整个系统的表现进行最终的优化。 W.m2`] & |