阵列波导透视式AR眼镜光学系统设计

梁美玉

(安徽信息工程学院电气与电子工程学院，安徽 芜湖 241100)

0 引言

AR技术作为一种增强现实技术，是将真实场景进行模拟的计算机高级人机界面。AR眼镜技术是AR技术主要的应用领域，由光学系统和信息处理系统组成，其中，光学系统设计得好坏直接影响了佩戴者观看时图像显示质量的好坏。不仅如此，光学系统设计还会对眼镜的体积和重量有影响，关系到佩戴者使用时的舒适度[1]，所以，光学系统的设计是整个AR眼镜设计的重点，也是难点。

本文的阵列波导透视式AR眼镜光学系统，即是针对当前AR眼镜光学系统现有技术进行的设计和改良。

1 阵列波导透视式AR眼镜光学系统设计

本设计的光学系统由微型OLED显示器、目镜系统及阵列波导系统组合，保证AR眼镜的使用要求。

1.1 微型显示器

设计中选择硅基OLED显示器作为像源，减去了LCOS显示器照明所用的PBS分束棱镜，保证AR眼镜目镜系统更轻、体积更小。同时，减少照明系统所用的LED灯，使采用微型OLED显示器的智能眼镜系统功耗大大降低，提高了续航时间。

1.2 阵列波导光学系统

分析发现，AR眼镜基板厚度增加是因为当视场增大时，光线在到达出射反射镜之前，首先撞到了基板表面，通过基板表面全反射又返回基板，导致传播方向偏离原来方向，出射后会形成鬼像。因此，本设计的阵列波导透视式光学系统，是在光线入射到基板表面之前放置一片与原出射反射镜平行的反射面，光线会在通过反射面反射，并保持与通过出射反射镜同样的方向，实现增大视场的同时减薄基板厚度，实现了更好的人机功效的AR眼镜[2]，外形架构如图1所示。

(a)中心视场主光线追迹图

(b)各个视场主光线追迹图图1 阵列波导透视式光学系统光线追迹

1.3 目镜系统

为了使透视式AR眼镜结构紧凑、便于装配，目镜系统采用一体化设计，所有透镜胶合在一起。为了减轻重量，目镜系统采用玻璃材料和光学塑料材料混合的形式。为了达到AR眼镜的眼镜形式，设计的目镜系统将耦合折射方式与阵列波导。

1.4 光学系统整体设计

本设计的阵列波导透视式AR眼镜光学系统是将阵列波导、目镜系统及微型OLED显示器组合起来完成的。如图2所示。

微型OLED显示器作为图像源发出的成像光束，经过目镜系统①准直后，再通过耦合棱镜②，然后进入阵列波导③，视场中的光线将根据全反射定理，全部在波导中进行传播，从光线的入射到光线的出射在反射面上，根据角度选择膜反射、透射特性，部分反射出波导，部分透射继续传播。由于阵列波导具有多个出射反射面，每个出射反射面形成一个出瞳，因此，可以在基板厚度很薄的情况下，进行出瞳的扩展，实现大视场和大出瞳④范围显示。

除此以外，本设计也对光学传递函数(MTF)、畸变、点列图以及垂轴色差进行了思考与设计验证。

1.4.1 调制传递函数(MTF)

在光学系统中，该函数是物体在不同空间频率中信息传递能力的描述，物体的整体轮廓通过低频反映，细节部分通过高频反映，这种描述是对光学系统的像质评价最有效、客观、全面的描述。AR眼镜光学系统的MTF曲线，如图3所示。

图3中可见，各视场MTF在空间频率为50 lp/mm处，满足大于0.23。由于AR眼镜是目视观察光学系统，对光学结构的紧凑性要求较高，而对像质的要求不高，所以，这里的MTF曲线值是满足AR眼镜的使用需求的。

1.4.2 点列图

光学系统的另一种像质评价方法是点列图。点列图是用来评价大像差光学系统的像质的，比较简单。一般点列图实际有效的弥散斑是集中在30%以上的光线圆形区域的，而成像光学系统能分辨的线数就是弥散斑直径的倒数[3]。对于光学系统的像质是否有根据弥散斑彗差和像散，要观察弥散斑的形状，系统畸变的大小以及色差，即是观察弥散斑相对中心点的偏差以及不同波长的弥散斑中心的偏差。这里的AR眼镜光学系统的点列图如图4所示。

图4 AR眼镜光学系统的点列图

从图4中可以看出，各视场弥散斑的最大均方根直径不大于0.022 mm，最小均方根直径接近0.012 mm，均有比较好的聚焦效果。

1.4.3 畸变

畸变主要针对大视场而言，共轭物像平面上的放大率随视场不同而不同，可以认为畸变就是主光线像差，原因是不同的视场主光线在通过光学系统后与高斯像面的交点高度与理想的像高产生差别。AR眼镜光学系统畸变像差网格如图5所示。

从图5中可以看出，AR眼镜光学系统为桶形畸变，最大畸变值小于3%，满足设计要求。

1.4.4 垂轴色差

对于用RGB三色显示的AR眼镜来说，由于光学系统对于不同波长单色光的折射率不同，因此，各单色光像差不同，通过光学系统后各单色光被分开，从而降低AR眼镜光学系统成像效果。AR眼镜光学系统垂轴色差如图6所示。

图5 AR眼镜光学系统畸变像差网格

从图6中可以看出，透视式智能眼镜光学系统全视场最大垂轴色差小于0.019 6，具有比较小的垂轴色差像差。

2 结语

本文对AR眼镜的光学系统进行了设计，采用微型OLED显示器作为像源，由阵列波导与目镜系统组成成像光路。目镜系统采用一体化全胶合设计，结构紧凑，便于装配；阵列波导通过对其鬼像、输出均匀性及相邻出射反射面遮挡优化后，具有比较理想的传像效果。实现了36°视场、6mm×10mm眼动范围、全彩色显示，调制传递函数MTF达到全视场大于0.5、畸变像差小于1%、垂轴色差小于0.003 mm的成像效果，光学系统完全满足AR眼镜的要求。

图6 透视式智能眼镜光学系统垂轴色差