本帖最后由 WTF 于 2020-3-16 16:27 编辑
Optical see-through Maxwellian near-to-eye display with an enlarged eyebox 眼动范围被提升的光学透视Maxwellian近眼显示
论文创新点：提升近眼显示（Maxwellian）的eyebox。利用衍射元件记录多个凹面镜的相位信息，因此当一束光入射时，能形成多个焦点，以此实现eyebox的拓展。 存在的问题：纵向的eyebox无法拓展。
期刊：Optics Letters 日期：2018.02 作者：SEONG-BOK KIM AND JAE-HYEUNG PARK* 备注：（1）Maxwellian是专业名词，本质上指的是视网膜投影，无需人眼瞳孔聚焦。 （2）eyebox指眼动范围，在该范围内人眼可以看到整个视场内的图像。
摘要：我们提出了一种使用多路复用全息光学元件的Maxwellian近眼显示方法。Maxwellian结构完全去除了被现实的虚拟图像的聚焦线索，可以为观看者一直提供聚焦的图像，不受人眼焦距的影响。全息光学元件的透明特性使光学透明特性成为可能，使所提出的近眼显示适合于增强现实应用。将多个凹面镜复用成单一的全息光学元件，扩大了有效的eyebox，放宽了传统麦克斯韦显示器的限制。光学实验表明本文提出的显示方法可以在实际环境中，在9.2 °H × 5.2 °V视场角，9mm×3mm的eyebox内，呈现一直被聚焦的图像。 正文： 近眼显示(NEDs)，又称头戴式显示(HMDs)，是增强现实(AR)和虚拟现实(VR)应用的主要设备。现在可用的NEDs设备存在一个问题，辐辏-调节冲突（VAC）。在通常的NED配置中，用户的每只眼睛都能看到微型显示面板的虚拟图像，因此眼睛的调节会对由NED光学装置固定的虚拟图像距离做出响应。相反，两眼视轴的会聚距离与左右两幅图像的视差相对应，并随呈现内容的不同而变化。因此，在通常的NED配置中，调节和收敛距离不匹配，也称为辐辏-调节冲突（VAC）。除了前庭和视觉感觉输入之间的不匹配，VAC也被认为是NEDs疲劳的一个主要原因。为了解决VAC，提出了各种方法。它们中的大多数不是以固定的虚拟图像距离呈现二维图像，而是以任意距离呈现到用户每只眼睛的三维图像。为了呈现3D图像，光场显示和全息显示技术被使用。这些技术通过呈现具有真实焦距的三维图像来解决VAC问题，但通常伴随着严重的分辨率损失和较高的计算负荷。 Maxwellian显示或视网膜扫描显示是另一种缓解VAC的方法。Maxwellian显示器显示的图像并不具有真正的焦点提示，而是始终聚焦，而不考虑眼睛晶状体的焦距。如图1所示，通过眼睛瞳孔中的单点扫描调制光束可以是Maxwellian显示的一种实现方法。由于有效的瞳孔变成了针孔，使得图像的聚焦深度大大增加，在眼睛聚焦的任何地方都能显示出清晰的图像。Maxwellian显示相对于真正的焦点线索3D显示技术的一个优点是，它不需要为图像内容准备进行任何特殊的计算。目标图像显示在显示面板上，因为它们没有任何调制。图像分辨率是另一个优点。虽然它取决于所需的焦点深度，稍后将讨论，但显示的图像通常比光场显示具有更高的分辨率。 然而，图1所示的配置有一些缺点。它在眼睛前面放置了一块凹面镜，因此没有实现在增强现实应用中至关重要的光学透视功能。更重要的是，因为扫描的焦点应该在瞳孔内部，所以eyebox的尺寸被限制在瞳孔的大小，这个条件太苛刻了。最近，有报道称几种技术可以增强Maxwellian显示器。在一种方法中，使用计算机生成的全息图在瞳孔平面形成一个点，以实现大聚焦深度范围。但是在光学透视显示方面，大体积的光学组合器被使用了，这会增大系统的体积。在其他方法中，采用全息光学元件(HOE)作为光组合器，进行波长复用以获得全彩色图像。HOE的使用可以实现结构紧凑的光学透视系统。然而，在这些早期的工作中，聚焦点仍然固定在瞳孔平面的单一位置上，因此eyebox被限制在瞳孔大小上。由于在NEDs中，大的eyebox对于舒适的观看是至关重要的，因此需要Maxwellian显示器的eyebox扩展技术。 本文提出了一种扩展eyebox的新型Maxwellian NED结构。提出的结构使用一个带有HOE的波导，其中多个凹面镜的特性被记录在上面。通过HOE将显示的图像聚焦到瞳孔平面的多个点上，提升了所提结构的eyebox范围。HOE和波导的组合使用，使始终聚焦的图像可以在一个紧凑的设备条件下，显示光学透视视图。 需要注意的是，虽然用于波导结构的光瞳扩展技术已经报道了，但它们不适用于Maxwellian NED，因为它们将单一的光线分割成多个平行的光线，形成一个扩展的光瞳。与此相反，本文所提出的方法形成一个点阵列，使得在每个眼睛位置的有效出瞳不被扩展，但仍然是一个针孔。因此，该方法可以在保持Maxwellian NED结构的同时扩展eyebox。 图2所示为单凹面镜在HOE中记录时所提出的Maxwellian NED的示意图。提出的结构包括准直激光照明，一个振幅型SLM加载所需的始终聚焦图像，4f滤波光学，一个倾斜入射的波导，和一个具有凹面镜特性的HOE。 准直的激光照明由SLM进行空间调制，并由4f光学滤过，只通过调制过的最低阶项，从而阻挡了由SLM的离散像素结构引起的所有高阶衍射项。滤过的光束进入波导的输入侧，通过内部全反射传递到耦出HOE，最后由HOE聚焦到瞳孔内的一个点上。SLM中加载的图像通过瞳孔上的一个点投射到眼睛的视网膜上，无论眼睛晶状体的焦距如何，用户都可以看到清晰的图像。由于HOE是透明的，所显示的图像出现在真实的环境视图之上，实现了光学透视功能。 图2所示的单凹面镜HOE的基本结构与传统的Maxwellian显示器一样，存在着eyebox限制。在本文提出的方法中，我们通过记录多个凹面镜在瞳孔平面上的横向位移焦斑来放宽这一限制，如图3所示。在所提出的方法中，多焦点的横向间距选择为略大于瞳孔宽度。因此，当眼睛位于多个焦点范围内时，只有一个焦点进入瞳孔，在扩展的eyebox中呈现始终聚焦的图像，而不存在双图像问题。 在实验中，我们在光学实验台上建立了一个概念验证系统。实验装置如图4所示。实验中使用的SLM的分辨率为800×600，像素大小为 13.97μm，线性偏振光输入和输出，用作振幅调制器。4 f光学中的两个透镜的焦距为10厘米，在傅里叶平面上的一个孔径用作滤光片。玻璃波导的厚度为9毫米，输入端与法线方向倾斜30°。滤过的光束通常入射在倾斜的输入端，耦合到波导中，并被附在波导输出端的HOE聚焦。激光照明的波长为532纳米。 我们用一种光敏聚合物作为HOE的记录介质。HOE是用如图5所示的装置制作的。在记录之前，光敏聚合物被附着在波导上。参考光束是经过准直的激光束，它从倾斜的一侧进入波导，然后到达光聚合物介质。所述的信号光束是同时照亮所述光聚合物的多束光束，然后汇聚在三个不同的焦点上。在我们的实验中，这种同步记录方式发现在三个焦点的衍射效率上比相继记录有更好的一致性。所述光聚合物与焦斑的轴向距离为8.2 cm，所述光聚合物上的信号光束直径为15 mm，所述光聚合物最大可提供10.5°×10.5°的视野。然而，值得注意的是，在我们的实验中，视野被投射在HOE平面的SLM尺寸限制在9.2°×5.2°。在记录中，参考光束功率为0.55 mW/cm2，三个信号源的功率分别为0.409、0.322、0.386 mW/cm2。实验测得的衍射效率为25%（单焦点/参考点的功率光束功率)，分别为18%和24%，总共67%。注意，参考光束的功率是在它进入波导之前测量的，因此上面给出的衍射效率包含了波导耦合损耗。我们实验中三个焦点之间的距离是3毫米。 图6显示了由制作的HOE生成焦点的示意图。组成图6的图像是通过在实验装置的瞳孔平面上放置扩散片后获得的。我们可以看到多个理想的水平分隔点。在本方法中，多个点的范围定义了扩大的eyebox，在我们的设置中测量到大约为9毫米。在图6中观察到的额外的弱点和噪声被认为是来自波导内的记录光束的多次反射和光聚合物的非理想体积全息特性。需要更复杂的记录装置来减少这些噪音。 图7和相关的视频显示了当相机位于不同位置时的观察图像。实验中使用的相机是具有9.93 F值和25 mm焦距的佳能EOS 5D Mark II，它提供了2.5 mm的光圈直径来模拟眼睛瞳孔。 如图7所示，图像显示在实际环境中，显示了光学透视的特性。 在每个摄像机位置，根据摄像机的焦距，在实际环境聚焦和模糊的同时，显示的图像仍保持清晰和聚焦，这验证了预期的图像始终聚焦的呈现方式。 图8显示了当摄像机位置以较小的单位步长跨过扩展eyebox时所观察到的图像。只有当相机恰好位于相邻点的中间时，图像才会迅速过渡到相邻的焦点，而在大部分扩展的eyebox中都能看到清晰的单幅图像。因此，从图7和图8所示的实验结果可以证实，所提出的多路HOE波导结构可以在扩展eyebox内的光学透视视图上始终显示聚焦的图像。 虽然实验验证了该结构的工作原理，但仍有很大的改进空间。像其他Maxwellian显示器一样，瞳孔和焦点可能存在轴向错位，这是该结构的一个局限。通过记录多个具有横向移位焦斑的凹面镜，可以实现对侧向eyebox的拓展。但是眼睛的轴向运动仍然没有得到充分的覆盖。眼球的转动也会因为眼球的圆形而导致轴向偏差。在当前的设置中，轴向的失调减少了视场范围，就像眼睛通过一个针孔看到的图像正好在瞳孔之前或之后。然而，眼睛的轴向运动在实际使用中很少发生，当系统第一次校准时，只需要对特定用户进行一次系统的机械调整。在我们的实验中，轴向错位导致眼球旋转的影响并不明显，我们也希望通过记录多个轴向距离略有不同的焦点来克服这一问题，这些焦点与眼球的圆形形状一致。 在我们的配置中，焦点之间的间距固定为3mm，如果瞳孔与3mm相差太大，可能会导致双像或盲区问题。一种可能的解决方案是通过在SLM上叠加适当的相位模式来倾斜或弯曲来自SLM的波前，以便HOE焦点移动或其间距根据检测到的瞳孔位置和大小进行调整。这是我们进一步研究的课题。 显示图像的位置不是固定在视场内的，而是随着眼睛的侧向移动而移动。这是因为在视网膜上投射图像的区域会根据相对于眼睛的光轴的焦点位置而改变。在实际应用中，需要使用瞳孔跟踪系统，对SLM中的图像进行相应的更新，以确定图像在视场中的位置。 本文提出的系统中，显示图像的焦点深度很大，但不是无限的。假设HOE是理想的焦距为f的凹透镜，眼瞳中的光斑大小可表示为w=f λB，其中λ为波长，B是加载在SLM中图像的带宽。通过本文提出的光学透视系统，被显示图像的焦深提升为we/w = we/fλB，其中we表示眼瞳宽度。虽然这种增强不是无限的，但它足够大，所以在我们的实验中，当相机的焦距从0.3屈光度变为3.5屈光度时，显示出来的图像是清晰的。需要注意的是，这种有限的焦点深度并不是本文提出的系统的限制，而是Maxwellian显示方式的一个常见限制。 最后，由于SLM的低分辨率和未优化的光学元件，导致当前设置的分辨率不够高。图9显示了在小视场中显示分辨率目标图案时观察到的图像。 综上所述，我们提出了一种可扩展eyebox的光学可透视Maxwellian NED结构。该方法采用透明HOE代替大块凹面镜，实现光学透视功能。HOE的使用可通过复用技术将多个凹面镜的特性记录在上面，使其具有多个焦点，这样可以拓展eyebox，且不会出现双重图像问题。实验结果表明，在9mm×3mm的eyebox范围内，通过三个凹面镜的复用，可以在9.2°×5.2°视场的光学透视视图上始终显示聚焦的图像。我们期望提出的配置可以用于AR应用程序中，始终需要聚焦的信息显示在真实的环境中。
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发表于 2019-11-17 09:46
发表于 2020-3-5 11:22
