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在Zemax中设计用于AR（增强现实）系统的头戴显示器（HMD）
作者：Natalie Pastuszka 发布日期：08/18/2015 应用领域：优化，3D观测 官网链接： http://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/designing-a-head-mounted-display-(hmd)-for-augment （这个文件09版本打开有误，现取消金币，坐等大神回复高版本转换兼容格式）
正文： 简要流程概述 1. 了解你需要设计和确定策略的系统 2. 定义一阶规格，性能规格等等 3. 根据预期的设计应用来确定规范 4. 需要使用多种结构系统 5. 设计一个可视化的物理系统，以便确定设计策略 6. 需要考虑的要点：曲面的数量，曲面的排列顺序，物面和像面的位置，工作在全局坐标系还是局部坐标系，是否旋转对称，将使用的元素类型，场点的数量等等。 7. 通过一次插入一个表面，并追迹单光线，来设置棱镜 8. 通过在一个视角，追踪一条主光线穿过系统，来开始初始设置 9. 根据需要，插入曲面和适当的坐标断点，以对准光线 10. 考虑设计的几何特性，确定每个表面的材料 11. 确定光线在哪种介质传播，以确定是否使用“镜子”作为材料，或PMMA（有机玻璃） 12. 由于序列模式的特性，如果要仿真TIR，必须使用被定义为镜子的重叠表面来，并且“pick up”操作解决以复制表面 13. 优化当前系统（第一条光路：微显示成像） 14. 使用多重结构编辑器（MCE）创建第二条设计路径 15. 考虑制作工艺，优化整个系统的性能规格 16. 同样取决于制造方法，自行限制表面的凹陷和曲率可能很有效
介绍： 头戴式显示器（HMD），利用虚拟和增强现实技术（VR&AR），拥有各种应用。其中包括在手术中帮助外科医生进行可视化操作，和培训期间的医学培训，以及显示用于军事的战术信息。尽管虚拟现实将用户沉浸于完全制造的环境中，但增强现实系统的目标是将计算机生成的虚拟对象叠加到真实场景的视图中，以增强（而不是替代）用户对真实环境的认知。完成这种叠加功能的方法之一，是通过使用光学透视式的头戴式显示器(OST- HMD), 其中包括两个光路正在优化：微显示投影成像路径和透视路径。考虑到使用这种系统的方法，有必要设计一个宽视场和低F数的，紧凑非侵入式系统。 自由曲面（FFS）允许更多的自由度，允许使用更少的元素，从而使系统更轻。本文介绍如何使用自由形状的楔形棱镜和粘合辅助透镜来对这种系统建模，该透镜用于校正畸变并改善光学系统的透视能力。 专利引用 这个设计的基本思想是从专利US 2014/0009845 A1中见到： (链接: http://www.google.com.ar/patents/US20140009845) 这个光学系统的设计，很大程度上取决于倾斜和偏心多个表面 (链接: http://www.zemax.com/support/resource-center/knowledgebase/how-to-tilt-and-decenter-a-sequential-optical-comp) 图1：OCT-HMD的原理图，包括一个自由曲面（FFS）棱镜，一个胶合辅助透镜（以黄色高亮显示）。此图来自专利，并做了修改 Total internalreflection：全内反射；exit pupil：出瞳； microdisplay：微显示器；half-mirror：半透半反镜
设计策略 OST-HMD由两部分组成： 2）胶合辅助镜（ cemented auxiliary lens）
首先设计FFS棱镜，并针对微显示器投影成像路径（第一光路）的预定义规格进行了优化。 之后，使用多重结构模式添加辅助镜头，旨在最小化畸变并消除系统透视（第二光路）中的光强。 该系统与现实中设置的工作状态相反。在现实中（在物理系统中），HMD的来源是微显示器，并且像面是人眼视网膜（HMD系统的出入口瞳孔和人眼相匹配）。 然而，为了在Zemax OpticStudio中准确建模该设置，并进行有效优化，系统以这样的方式输入，即物理系统（现实中）的出瞳现在是在ZOS（软件）中模拟的入瞳，微显示器被视为“ 像面“。 因此，以下文章中引用的任何射线均以ZOS中的模型描述。
楔形自由曲面（FFS）棱镜 初始设置包括：入瞳定义为6mm（为工作状态，人眼瞳孔为2-8mm）和单个场点，同时设定所有表面，以允许更简单光线追迹。 一旦这些表面建立起来并且光线通过棱镜，进行精确追迹，视场（FOV）和入瞳可以逐渐扩大（在文章中进一步讨论“定义视场（FOV）”一节）。 在序列模式下设计的棱镜，由多个独立表面构成，这些表面使用倾斜和偏心，从而为棱镜定形。因此，有必要考虑光线如何穿过棱镜，来确定，何时何地需要表面。 下面的图2显示了光线为建模，而设定行进方向，表面编号。 图2：通过零角度下主光线的最终初始光线追迹（后优化）。 下面显示了相应的LDE以提供表面编号和注释的参考（参数的实际最终设计值可能会有所不同）。 放大的红色数字表示在镜头数据编辑器（LDE）中建模的实际表面编号，因为所有表面都有与其相关的坐标断点。 黑色的“S＃”表示专利定义的棱镜的物理表面（这些也是“注释”栏中指出的数字） 例如，8-9-10是最终LDE中列出的表面9（用粗体红框标出），并且对应于物理棱镜的表面S1'（S1的反射/内表面）。 较小的8和10对应于LDE中的表面8和10，并且用作表面9的坐标断开（“虚拟表面”以倾斜/偏心）。 在建模时，stop（建模系统的入瞳）作为全局坐标参考。系统停止后，棱镜的第一个表面（插入坐标断点后的LDE中的S1或表面3）最初放置18.25毫米（LDE中的表面1的厚度），以作为眼部起伏。应根据需要使用倾斜/偏心装置，以最终将光线对准像面。可以从专利中的图像和表格中获得关于每个元件的倾斜/偏心量的大概想法。 光线通过表面S1（LDE中的表面3）传输到S2（在S1的坐标中断返回之后放置在LDE中，即LDE中的表面5，使用坐标中断变为表面6）。该表面被表示为反射镜，以反射棱镜内的光线。实际上，如该专利所述，该表面被涂覆成半反射镜以允许光线为两个路径提供服务：在棱镜内反射到微型显示器并且透射光作为透视路径的一部分。此透视设置将在本文后面的多重结构模式中进行建模（多重结构编辑器）。倾斜/偏心工具再次用于根据图案中的图形倾斜表面。现在表面变成表面6，并且坐标中断。 图3：光线通过系统向后对准（从“眼睛”到我们模型中用作像面的微型显示器） *注1：为了更好地了解光线追迹的位置，设置微显示器像面并做倾斜/偏心，近似于专利中的像面。 通过这种方式，只要几何图形设置正确，就可以看到射线应对准的位置。 *注2：为了可视化目的，图中省略了边（曲面属性à绘图 - 勾选“不要从此曲面绘制边线”）。
通过分析layout，光线接下来需要从S1的内部（即S1'）反射到达微显示器/图像平面。根据该专利，这些光线由于全内反射（TIR）而反射离开该表面，如在本文的“全内反射（TIR）”部分进一步讨论的。 在序列模式下不支持TIR，因此需要通过使S1'（表面8 /表面9以LDE中的坐标断开）成为镜子来实现这种反射。为了模拟S1（LDE中的曲面3），Pickup求解用于所有参数，因为物理上这是相同的曲面;由于在序列模式下的光线追迹能力和表面的透射特性的变化（将光透射为S1，但将物理系统中的TIR反射为S1'），有必要将其定义为两个单独的表面。下面的LDE片段显示了表面9中pick up的参数（如果需要在设计中使用偏心，其他参数（如Decenter X或Decenter Y）也将使用表面3上的pick up功能。 在像面之前的最后一个表面（S3，具有坐标中断的LDE表面12）以与先前表面相同的方式添加到模型中，引入必要的x-倾斜和y-偏心。 图4:通过棱镜完成初始光线追迹， 系统尚未优化，只是显示每个表面彼此相对倾斜/偏心，以获得所需的楔形棱镜形状
确定视场（FOV） 由于自由曲面随着场的变化而变化，系统中的FOV需要尽可能多地定义点。 通过这种方式，ZOS可以更有效地优化SystemExplorer中明确列出的中间字段。 同样，场点也需要在x和y方向上定义。 由于系统不是旋转对称（关于YZ平面对称，而不是XZ平面），因此我们不再能够假设光线在正方向和负方向上的行为方式都是相同的。
全内反射（TIR） 在物理原理图中，微显示器发出的光线通过TIR反射出S1'。 当光线在较高折射率材料内行进的光以大于其临界角的角度撞击较低折射率介质的表面边界时，发生光完全反射回其传播介质的现象。临界角定义如下：
其中nr是折射材料的折射率，ni是入射介质的折射率。 在这种情况下，当在PMMA（n = 1.492）内行进的光线以大于θc= 42.09度的角度撞击表面S1'时，满足TIR条件。 在此优化过程中，使用真正的入射光线角度约束。
创建用户定义的矩形孔径 面的大小可以通过调整半径以及放置在表面上的孔来定义。由于楔形棱镜的物理几何形状，此特定系统将具有矩形孔。对于在棱镜中建模的每个表面定义矩形孔（不是坐标断开，因为它们仅用作“虚拟表面”，并不表示射线在哪里出射）。通过单击特定表面并延伸“表面属性”对话框来设置孔径。 在“光圈”选项卡下，将“光圈类型”选为“矩形光圈”。 调整可用的半宽和偏心参数以形成给定的表面，并且只使用尽可能多的表面（用于实用目的并保持系统紧凑）。
优化 该系统针对点列图波前质心（ RMS wavefront centroid），进行了优化，随着设计的改进，环和臂的数量也随之增加。 使用优化函数编辑器根据需要逐渐添加约束。 主要限制包括有效焦距（EFL），厚度，全局坐标，光程长度，倾斜/偏心参数，角度和畸变的范围。 使用全局坐标约束（GLCZ / GLCY / GLCZ）将曲面S1'与S1（分别在LDE中的曲面9和曲面3）对齐是有意义的，因为物理上这只是一个曲面; 由于序列模式的性质和能力以及射线穿过棱镜时光学特性的差异，它简单地建模为两个表面。 这些操作数除了已经建立的表面9和3的pick up解决方案外（如前所述）。 光程长度约束根据需要近似，特别是从S3到图像平面和S1'到图像，以保持图像平面的一般位置以保持系统的紧凑性（出于实际需要）。 类似地，倾斜/偏心参数被限制为保持棱镜的一般形状并且防止表面相互偏离过度。每个表面的初始表面类型是一个标准透镜，并缓慢移动到一个偶数非球面，最后是一个自由曲面; 在这种情况下，扩展多项式表面用于表面S1（和S1'通过pick up形成的）和S3（分别在LDE中的表面3,9和12）变化。 表面2仍然是一个偶数非球面（有关一般非球面设计技巧的更多信息，请参阅LINK- Kyle’s）。
设置多重结构编辑器 到目前为止，第一光路（投影成像路径）已经使用FFS棱镜进行了优化。 系统的第二条光路（透视路径）需要进行配置和优化，主要是通过使用OST-HMD系统中的第二个元件：一个粘合到FFS棱镜S2表面的辅助透镜。 到目前为止，优化的FFS棱镜（具有矩形孔径）及其相应的LDE如下（由于优化和添加场，最终版本中的值稍微不同）。 非球面和自由曲面系数可以在最终的范例文件中获得。 *注意：优化时，行的颜色只是根据自定义偏好和自定义清晰度进行更改。
为了设置整个OST-HMD系统，需要将辅助镜头的表面S4（如下所示）添加到已有的FFS棱镜中。然后，使用多重结构编辑器（MCE）将整个系统分成两个配置，这两个配置基于文章开头所述的光路：投影成像路径（光路1）和透视路径（光路2）。 两种配置和两种配置的结果叠加在一起看起来如下所示：
为了建立多重结构模式，考虑了第二条光路，因此在像面之前加上S4（S4是最后的表面光线，将在光路2中的图像之前传输通过）。下面演示了添加了S4的初始LDE（以蓝色突出显示的行）及其各自的坐标断点。 现在需要通过多重结构编辑器（MCE）将光学系统分成两个单独的路径长度。通过将系统分成两个独立的配置，我们可以针对不同的标准和不同的表面属性优化每个系统。也就是说，我们可以进一步优化我们的FFS棱镜，对于有限图像平面的RMS波前投影显示，同时优化用于图像空间中焦外的透视路径的辅助透镜。在这个透视路径中，我们希望能够像使用常规防护眼镜一样查看环境（因此在图像空间中无焦点）;这需要将来自“无限远”的射线成像到我们的角膜上，并优化辅助透镜以通过透视路径提供最小的失真和无光功率。 OpticStudio提供了各种帮助文件，帮助设置MCE（文件“多重结构编辑器”和“多重结构操作数”特别有用）。 查看各个配置原理图和扩展的LDE，我们确定配置1将损害LDE的表面0-13以及图像平面（LDE的表面17和18）。 配置2由表面S1和S2组成，但不再使用表面S1'或S3。 因此，省略了LDE中的那些表面（及其各自的坐标中断）。 配置2设置为仅考虑LDE的表面0-7,14-16和18; 因为我们希望图像平面垂直于z轴，所以省略了图像表面的坐标中断，就好像模拟来自环境的光。 查看MCE，在配置列中，值“1”表示操作数处于活动状态，“0”表示操作数处于非活动状态/未用于特定配置。每个配置中省略的曲面通过MCE中的IGNR操作数“忽略”，其中指定了配置中受影响的曲面。例如，查看MCE的行3-5，表面14-16分别被指示为忽略配置1。注意使用GLSS操作数来改变LDE中表面6的材料类型（FFS棱镜的S2）非常重要;该表面最初被指示为镜子（用于投影成像路径，配置1）以模拟实际半镜像表面的反射特性。在建模透明路径（配置2）时，表面的透射特性通过指示辅助透镜的材料选择以序列模式建模。 AFOC多重结构操作数用于激活配置2（透视路径）的“无焦像面（Afocal Image Space）”选项。 为了优化多重结构系统，MCE和镜头数据编辑器中的参数都可以在优化过程中改变。 通过“CONF”操作数将MCE更新为包含配置2，“CONF”下列出的操作数仅适用于“Cfg＃”中指定的配置（直到下一个“CONF”操作数）。
分析 可以使用MCE或ZOS中的工具（Tools）来分析系统的性能规格。 在一些更相关的分析中，由于系统的自由形式以及缺乏旋转对称性（关于使用哪个MTF的更多信息，请参阅链接），惠更斯的点扩展函数（PSF）被用于该特定系统。 通过使用菜单栏中的下陷和曲率选择，可以考虑曲面的凹陷和曲率，这些选择位于分析-表面Analyzeà Surfaceà Sag / Curvature下，并利用曲线上的设置下拉菜单指定更多细节。 另一个需要考虑的重要工具是分析PAL /自由格式下的场图（field map）。 使用图上的设置下拉菜单，我们可以分析各种功能，包括给定表面上的入射光强。在本例中，我们可以使用此功能分析在设计的透视路径中到达像面的光强量。 由于我们系统的应用，透视路径应该具有最小的光强（大约小于0.5D），因此人眼无法察觉到这种差异，但是这可能导致疲劳和头痛以及其他并发症。
参考文献
Cheng, Dewen,Hong Hua, and Yongtian Wang. “Optical See- Through Free- Form Head- MountedDisplay.” U.S. Patent 0009845. 9 January 2014.
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发表于 2018-4-25 22:47
