一种新颖的智能眼镜光学系统设计方法

一种新颖的智能眼镜光学系统设计方法
杨新军;向艳;朱标;赵剑英
【摘要】提出采用Fresnel微结构的曲面波导微投影光学系统眼镜设计思想,理论分析了所提光学系统的成像原理,给出了光学设计方法,并运用该方法设计了一套样机,曲面波导板近眼表面(即前表面)曲率半径为140.0 mm,后表面曲率半径为143.5 mm,中心厚度为1.7 mm,材料选PMMA(即有机玻璃),微型显示器选0.23”硅基OLED显示屏,分辨率640×480(象素),出瞳直径选为8 mm,眼点距约为18 mm,视场角9.6°(H)×7.2°(V),调制传递函数(MTF)在空间分辨率30 lp/mm时,中心视场MTF接近0.45,全视场大于0.2.从而验证了该方法的可行性.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2018(039)006
【总页数】6页(P815-820)
【关键词】曲面波导;Fresnel微结构;光学设计;增强现实眼镜
【作者】杨新军;向艳;朱标;赵剑英
【作者单位】中航华东光电有限公司安徽省现代显示技术重点实验室特种显示国家工程实验室国家特种显示工程技术研究中心,安徽芜湖241002;中航华东光电有限公司安徽省现代显示技术重点实验室特种显示国家工程实验室国家特种显示工程技术研究中心,安徽芜湖241002;中航华东光电有限公司安徽省现代显示技术重点实验室特种显示国家工程实验室国家特种显示工程技术研究中心,安徽芜湖241002;芜湖职业技术学院基础部,安徽芜湖241000
【正文语种】中文
【中图分类】TN873.7
引言
智能眼镜现已在诸多领域展示出其巨大的应用价值和发展潜力。

但为了适应佩戴时轻型化、小型化的发展要求，传统智能眼镜的传像系统通常会设计的非常复杂而难以加工[1]，同时由于这种系统需要采用半反射镜折叠式离轴结构，致使系统具有
较大的梯形畸变，因此在实际使用时必须进行预畸变校正[2]，导致智能眼镜显控
电路更加复杂。

基于平板波导元件(light-guide optical element, LOE)的智能眼镜相比传统结构，具有更加紧凑的体积和更轻的重量，极大地提高了智能眼镜人机功效。

但采用平板波导元件构成的智能眼镜存在以下问题：1)光耦合器采用全息衍射光栅方式[3-6]，光栅彩虹效应导致系统显示图像色彩均匀性不好，同时系统光效比较低；2)光耦合器采用半透膜阵列[7-8]，容易出现鬼像，同时光出射区域亮度均匀性不好控制；3)光耦合器采用微结构阵列形式[9]，可以有效解决上述存在的问题，但文献中所提
微结构为形状一致且规则排列的三角形或梯形，对入射方向相同的光线偏转效果完全相同，因此只能适用于平板光波导。

我们知道，对于眼睛近视的人群，平板光波导无法提供校正视力所需的屈光度。

所以对这一群体，就必须考虑与近视眼镜配合使用，导致平板光波导智能眼镜的体积和重量相应增加，降低了人机功效。

本文提出采用菲涅尔(即Fresnel)微结构作为光耦合器的曲面波导智能眼镜光学系
统架构，将普通光学眼镜与平板光波导智能眼镜功能合二为一，形成外形与普通光学眼镜基本一样，但具有信息显示功能的智能眼镜。

理论分析了该光学系统的成像原理，给出了光学设计方法，并运用该方法设计了一套基于曲面波导的智能眼镜光
学系统。

1 基本原理
1.1 曲面波导智能眼镜布局
采用菲涅尔微结构作为光耦合器的曲面光波导结构，如图1所示：由微型显示器发出的光线，入射到耦入菲涅尔微结构被反射，反射光再传输到下表面时，由于满足全反射条件，被反射回上表面，同样由于满足全反射条件，又被反射回下表面，再反射回上表面时，入射到耦出菲涅尔微结构上，通过耦出菲涅尔微结构反射形成平行光束，射出曲面波导并投射进入人眼，会聚视网膜上，形成放大的虚像。

曲面波导类似一个光学组合镜，由微型显示器发出的成像光束通过耦入菲涅尔微结构耦入，曲面波导传输，最后由耦出菲涅尔微结构输出进入使用者的眼睛，与此同时外界场景反射的光线透过曲面波导也进入使用者眼睛，保证使用者在看到外界场景的同时看到微显示器显示画面的放大虚像。

图1 曲面波导智能眼镜示意图Fig.1 Schematic side view of smart glasses with curved waveguide
1.2 工作原理
1.2.1 带菲涅尔微结构反射镜特点
为了能够表述清楚带有菲涅尔微结构反射镜特点[10]，参见图2。

图2 二者对比的效果图Fig.2 Effect comparison of two results
图2中左侧光路为普通球面反射镜反射光路，入射平行光被球面反射镜向左下方反射，由左下方探测器接收；右侧光路在普通球面反射镜上增加了菲涅尔微结构，同样将入射平行光向左下方反射，由左下方探测器接收。

从图2中可以看出，采用菲涅尔微结构的反射镜不仅可以实现球面反射镜的光线偏转与会聚功能，而且通过精心设计微结构的参数，可以获得非常好的光束会聚效果，同时反射镜中心法线与入射光线方向一致，即反射镜没有发生倾斜。

这有效地减小了反射镜安装所占用
的空间。

把这一思想用于光波导反射镜上，就形成了文中提出的基于菲涅尔微结构的曲面波导智能眼镜光学系统。

1.2.2 菲涅尔微结构反射镜构建方法
上述球面反射镜自身无法实现良好的光束会聚效果，为此可将球面反射镜设计成自由曲面面形以达到所要求的光束会聚效果。

然后再将自由曲面面形转化为菲涅尔微结构，形成菲涅尔微结构反射镜。

假设自由曲面面形方程如下式表示：
Ze=a+b+k10x+k01y+k11xy+
(1)
式中：a、b分别为x方向、y方向二次曲面项，可表示为
(2)
和
(3)
在z轴方向上，以Δh高度等高地对反射镜自由曲面进行分割，并转移至同一基面，即可构成菲涅尔微结构。

其xz面的截面图如图3所示。

图3 菲涅尔微结构xz面的截面图Fig.3 Sectional view of Fresnel misrostructure on xz plane
菲涅尔微结构光学有效面可由下式表示：
(4)
式中Zb表示基面方程，可表示为
(5)
式中：R为基面的球面半径，基面为凸球面时，sgn(R)等于1；基面为凹球面时，sgn(R)等于-1；基面为平面时，sgn(R)等于0。

2 仿真设计
利用CODE V设计厚度为3.5 mm的曲面光波导板型成像光学系统。

曲面波导板材料为PMMA，靠近瞳孔的面半径设为140 mm，远离瞳孔的面半径设为143.5 mm，构成一个凹透镜，实现普通近视镜的光焦度；图像源选Sony公司
0.23Inch OLED显示屏(分辨率640×480，有效显示尺寸4.8×3.6 mm2)；像面中心到视轴距离为21.5 mm，出瞳直径8 mm，眼点距约18 mm，视场角为
9.6°(H)×7.2°(V)。

通过仿真计算确定曲面波导各面参数，曲面波导板型成像光学系统光线追迹结果，如图4所示。

图4 光线追迹图Fig.4 Map of ray tracing
对应像面的光线耦入反射面为全反射型自由曲面，表1给出了耦入菲涅尔微结构对应的耦入反射面的各项系数；对应耦出反射面采用半透半反型自由曲面，表2为耦出菲涅尔微结构对应的耦出反射面的各项系数。

表1 耦入菲涅尔微结构对应自由曲面各项系数Table 1 Polynomial coefficients for free-form surface corresponding to coupling-in Fresnel microstructureijk系数值0121.978 676e-000025-1.683 682e-0010396.583 886e-0030414-1.592 897e-00405201.673 948e-006205-1.260 064e-0022171.584 787e-00422125.047 552e-0052318-1.124 591e-0062425-
3.539 047e-00825336.224 301e-01040102.326 468e-0044116-2.256 722e-00543312.658 107e-008
表2 耦出菲涅尔微结构对应自由曲面各项系数Table 2 Polynomial coefficients
for free-form surface corresponding to coupling-out Fresnel microstructureijk系数值0123.889 550e-001025-3.833 425e-003039-2.736 702e-00704141.935 143e-006
续表ijk系数值05209.627 233e-007203-5.487 613e-0032175.506 765e-00522121.146 413e-00623182.124 906e-0062425-7.838 697e-0082533-
7.841 081e-00840104.996 870e-0084116-5.316 581e-0074331-2.683 089e-008
表中未列出的反射镜自由曲面各项系数均为0。

该光学系统的调制传递函数(MTF)曲线，如图5所示。

图5 MTF曲线Fig.5 MTF curves
当像面位于无穷远时，目视光学系统的角分辨力可由下式决定：
(6)
式中：ω，v分别是光学系统水平、垂直视场角；m和n分别是图像源有效显示区域水平、垂直像素数。

选择图像源的像素数为640×480，由上式计算得光学系统
对应角分辨力为0.53 mrad，接近人眼的最小分辨力0.3 mrad。

由于上述光学系统的有效焦距接近30 mm，因此要求空间频率达到30 lp/mm，从图中可以看出，当空间频率为30 lp/mm时，中心视场MTF接近0.6，全视场大于0.1。

因此完
全满足要求。

利用Lighttools光线追迹软件对上述光学系统进行等价转换。

首先，将反射镜自
由曲面转化为菲涅尔微结构，经过反复试验，确定对耦入、耦出反射面在z方向进行分割的取模参数Δh的有效范围为(0.01～0.1)mm，实际构成菲涅尔微结构时
Δh取值为0.05 mm。

而可见光波段中心波长为550 nm，微结构尺寸为可见光中心波长值的90多倍，可以忽略微结构的衍射效应。

在耦入、耦出自由曲面转化为
菲涅尔微结构后，等厚地将波导板削薄，依据斯涅尔(Snell)定律，并不影响光线传输效果(即成像效果)，最终波导板中心厚度设计为1.7 mm，Lighttools光线追迹图如图6所示。

图6 Lighttools光线追迹图Fig.6 Map of ray tracing in Lighttools
从图6中可以看出图像源发出的成像光束，经过菲涅尔微结构耦合，波导板传输，最后已接近平行光出射，图7给出了出射光束光强随角度分布图。

图7 出射光束光强随角度分布图Fig.7 Light intensity distribution along with angle for coupling-out beam
从图7中可以看出，对于无穷远成像，光强集中在5°立体角以内，非常接近平行光，人眼可以轻松地观察到清晰的显示画面。

为满足增强现实眼镜对外界场景观察要求，设计了耦出菲涅尔微结构补偿结构，如图8所示。

图8 耦出菲涅尔微结构的补偿结构Fig.8 Compensation structure for coupling-out Fresnel microstructure
补偿结构采用与菲涅尔微结构互补形式，在菲涅尔微结构有效反射面镀好半透半反膜后，将补偿结构与菲涅尔微结构胶合，从而消除菲涅尔微结构对外界入射光的折射作用，实现增强现实眼镜透视功能。

3 杂散光分析
本文仿真设计的曲面波导板成像光学系统光线追迹截面图如图9所示。

图9 光线追迹截面图Fig.9 Sectional view of ray tracing
从图9中可以看出，从显示屏出射的2束光入射到耦入菲涅尔微结构后，都分成
了3部分光束：一束光分为光束1、光束2和光束3；另一束光分为光束1′、光束2′和光束3′。

其中光束1和光束1′为成像光束，而光束2和光束3，以及光束2′
和光束3′为杂散光。

这部分光线由于不满足全反射条件大部分折射出波导板，但
还是有部分光线在波导板中通过多次反射，进入人眼影响成像质量。

因此需要采用适当的工艺消除这部分光线，圆圈所圈部分的放大图，如图10所示。

从图10中可以看出，光束2和光束3，以及光束2′和光束3′为入射光束被菲涅尔微结构光学面反射后，通过非光学面入射到临近菲涅尔微结构光学面被反射回来，再次入射到光学面并被反射，一部分形成光束2和光束2′；另一部分又入射到非
光学面，由于满足全反射条件被反射形成光束3和光束3′。

因此为了消除杂散光，采用菲涅尔微结构光学面镀光学反射膜；同时补偿结构非光学面涂吸光材料的工艺，保障透视效果的同时消除入射到非光学表面的杂散光束。

图10 局部放大图Fig.10 Partial enlarged drawing
4 结论
利用CODEV光学设计软件设计了曲面波导成像显示系统，计算出其耦入、耦出自由曲面的多项式方程。

经过反复试验，确定对耦入、耦出自由曲面在z方向进行分割的取模参数Δh的有效范围为(0.01～0.1)mm，实际构成菲涅尔微结构时Δh取值为0.05 mm。

最终，仿真设计了一款增强现实眼镜，曲面波导板近眼表面(即前表面)曲率半径为140.0 mm，后表面曲率半径为143.5 mm，中心厚度为1.7 mm，材料选PMMA (即有机玻璃)。

微型显示器选择0.23″硅基OLED显示屏，
分辨率640×480像素，出瞳尺寸为8 mm，眼点距约为18 mm，视场角
9.6°(H)×7.2°(V)，角分辨力为0.53 mrad，接近人眼的最小分辨力0.3 mrad。

【相关文献】
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