增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)系統(tǒng)為多道光路的架構(gòu)和自由曲面(free-from optics)的使用提供了良好的示范。這篇文章說明了如何在序列模式中，使用楔形棱鏡(wedge-shaped prism)和自由曲面建立頭戴式顯示器(HMD)。我們將以三個范例檔案演示不同階段的模型建立。(聯(lián)系我們獲取文章附件) KPqI(  
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簡介 LvdMx]*SSr  
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在設(shè)計一個增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality, AR)透視頭戴式顯示器(OST-HMD)時，我們會針對兩道光路進(jìn)行優(yōu)化：微顯示器的投影路徑以及供用戶看見外界的透視路徑。為了達(dá)到最佳的AR效果，光學(xué)設(shè)計者必須確保虛擬圖像和現(xiàn)實景物能正確結(jié)合。此技術(shù)可被廣泛應(yīng)用在軍事和醫(yī)療輔助等方面。 [D\AVx&  
考慮到實際用途，設(shè)計者必須將整個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成一個精巧且非侵入式的裝置，同時具備大視角(FOV)和小f-number等優(yōu)點(diǎn)。這篇文章說明如何使用楔形自由曲面棱鏡和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)建立上述的光學(xué)系統(tǒng)。  {`  
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參考專利 ajr8tp'  
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本文的范例參考了專利Patent US 2014/0009845 A1的設(shè)計。 (#`o>G(  
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在范例檔案中，我們針對各表面大量的運(yùn)用了傾斜(tilt)和偏心(decenter)技巧。在下方的示意圖中，我們可以看到系統(tǒng)使用自由曲面棱鏡(FFS prism)和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens, 圖中黃色部分)這兩個光學(xué)組件改變?nèi)肷涔獾男羞M(jìn)方向。FFS的使用增加了設(shè)計的自由度，使系統(tǒng)可使用較少的光學(xué)組件達(dá)成目的，大幅減少裝置的重量。另一方面，膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)可有效修正畸變，改善透視影像的質(zhì)量。 z<*]h^!3  
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下圖參考自專利并稍加修改。 HPB1d!^  

圖片:20230329-1.png

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設(shè)計方針 Dh<e9s:  
OST-HMD包含了兩個光學(xué)組件：1)楔形FFS棱鏡 和 2) 膠合輔助鏡頭。在OpticStudio中我們會先建立FFS棱鏡，并根據(jù)原始規(guī)格進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，接著以微顯示器投影路徑(第一道光路)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在完成上述步驟后，我們在多重結(jié)構(gòu)編輯器(multi-configuration editor)中建立膠合輔助鏡頭。借由這個鏡頭的輔助，可以有效減少畸變的影響，并消除光學(xué)系統(tǒng)的場曲情況。透過以上的步驟，我們可以改善第二道光路使觀察者看到的外界景物不會扭曲變形。 qo|iw+0Y  
在仿真環(huán)境中，我們翻轉(zhuǎn)了整個光學(xué)系統(tǒng)，使光線路徑與現(xiàn)實情況完全相反。在實際應(yīng)用上，我們會以微顯示器作為HMD的光源，人眼的視網(wǎng)膜則會是像面。前后者分別作為整個光學(xué)路徑的出/入瞳。然而為了精確的架設(shè)各個組件且能有效的在OpticStudio中進(jìn)行優(yōu)化，我們會將實際的出瞳作為OpticStudio中的入瞳，并以微顯示器作為整個系統(tǒng)的像面。在接下來的篇幅，我們都會以光線在OpticStudio中的追跡方向來描述。 _=#mmZkq  
關(guān)于HMD的建立，首先我們會逐一插入表面以建立棱鏡，并追跡單一視場角(field angle)的一條主光線。接下來，為了傾斜棱鏡使光線按預(yù)期的路線行進(jìn)，我們會在適當(dāng)?shù)奈恢貌迦隒oordinate Break表面。此外，我們還需要考慮組件的幾何關(guān)系，并為各表面設(shè)定適合的材質(zhì)，使這個光學(xué)系統(tǒng)成為一個合理的設(shè)計。 x$I>e  
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由于序列模式(Sequential Mode)無法仿真出全反射(TIR)的現(xiàn)象，我們必須在發(fā)生TIR的表面上再覆蓋上一個表面，并定義該表面為具有Pickup solves的反射鏡表面(MIRROR)，使追跡光線能符合實際情況。在完成對單一視場的優(yōu)化之后，我們接著利用多重結(jié)構(gòu)編輯器(Multi-Configuration Editor, MCE)建立第二道光路。最后我們會納入制造上的考慮，并對整個系統(tǒng)的表現(xiàn)進(jìn)行最終的優(yōu)化。 #n r1- sf|  
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楔形自由曲面(FFS)棱鏡 _aYQ(FO  
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為了簡化一開始的光線追跡過程，我們將系統(tǒng)的入瞳大小設(shè)置為6mm(人眼瞳孔尺寸約為2-8mm)，并設(shè)定單一視場點(diǎn)(field point)。當(dāng)所有的表面都正確的被建立，且光線能順利的通過棱鏡后，我們可以逐步的擴(kuò)大FOV和入瞳尺寸。(更多關(guān)于FOV的論述可參考后續(xù)的”定義視角”段落) k9]n/  
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在序列模式中，我們利用多個傾斜或偏心表面建立棱鏡。為了確認(rèn)各表面的位置和存在必要性，我們必須思考系統(tǒng)中的光線是如何通過棱鏡，并與各表面交互作用的。在下方示意圖中我們可以清楚看到光線的路徑、各表面的作用和編號，這些信息有助于棱鏡模型的建立。 (""&$BJQ|  
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圖片:20230329-2.png

圖片:20230329-3.png

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上方示意圖中的紅色數(shù)字代表該表面在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor, LDE)中的表面編號，Coordinate Break的存在已納入考慮。至于“S#”則代表了棱鏡的實際表面，可以在本文參考的專利模型中找到對應(yīng)的表面。(我們也可以在LDE中的Comment區(qū)域看到上述的編號) Sq%R  
舉例，我們可以看到上方紅框中的8-9-10表面代表了示意圖中的表面9，同時也代表了實際棱鏡的S1’表面，即S1的反射面(內(nèi)表面)。而表面8和10則分別代表了LDE中的表面8和10，并作為表面9的Coordinate Break。 [E1I?hfJ  
進(jìn)行以上步驟時，光闌(stop, 在此為系統(tǒng)的入瞳)位置將被設(shè)為全局坐標(biāo)參考(Global Coordinate Reference)。棱鏡的第一面(S1或是Coordinate Break加入后LDE中的Surface 3)位于光闌后方18.25mm處，等同于Surface 1在LDE中的厚度。而這個距離在實際應(yīng)用上是作為使用裝置時的適眼距(eye relief)。除了坐標(biāo)的設(shè)定之外，我們還需要思考如何設(shè)計表面的傾斜或偏心，才能使入射光順利到達(dá)像面。專利設(shè)計中的參數(shù)和示意圖可以在這方面提供不少幫助。 s]UeDZ<a  
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如下方示意圖，可以看到入射光自S1(LDE中的Surface 3)進(jìn)入棱鏡，接著落在S2(LDE中的Surface 6)上。示意圖中的S2作為一個平面鏡，使進(jìn)入棱鏡的光線全數(shù)反射。在實際應(yīng)用上S2是一個鍍膜的半反射鏡(half-mirror)。光線在到達(dá)該表面后會分成兩個行進(jìn)路徑: 1)在棱鏡內(nèi)部發(fā)生反射，最后到達(dá)上方的微顯示器；2)使外界光線順利通過的透射路徑。我們會在稍后的篇幅使用多重結(jié)構(gòu)化編輯器建立第二道光路。為了使光線符合示意圖中的行進(jìn)方向，我們會再次使用傾斜和偏心的功能調(diào)整表面的位置。 j/&7L@Y  

圖片:20230329-4.png

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圖片:20230329-5.png

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注意: 為了更完整的呈現(xiàn)光線追跡路徑，我們根據(jù)專利中微顯示器的位置對像面進(jìn)行調(diào)整，透過表面的傾斜或偏心使光學(xué)組件呈現(xiàn)正確的幾何關(guān)系。
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檢視光路圖，我們會發(fā)現(xiàn)光線須在S1的內(nèi)表面(即S1’)反射，才能順利抵達(dá)微顯示器(像面)。根據(jù)專利的說明，前述的光線轉(zhuǎn)折是由界面處的全反射(TIR)所造成。我們在后續(xù)的”全反射(TIR)”段落中會提到更詳盡描述，此處僅針對OpticStudio的操作做說明。 _nUuiB>  
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由于在序列模式中無法仿真TIR，因此我們需要額外將S1’設(shè)為反射鏡表面。此外，將表面的求解(Solve type)設(shè)為Pickup，可使此表面更符合S1(LDE中的surface 3)的實際表現(xiàn)，允許入射光同時呈現(xiàn)反射和穿透的現(xiàn)象。我們可以根據(jù)下圖完成上述的設(shè)定步驟，使各表面對應(yīng)的參數(shù)隨LDE中Surface 9變更。 F
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圖片:20230329-6.png

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最后我們以相同的方式在像面(LDE中的Surface 12)前插入一個表面，并設(shè)定正確的x-tilt和y-decenter。 1|--Xnv  
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圖片:20230329-7.png

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圖片:20230329-8.png

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定義視角 (FOV) %0QYkHdFR`  
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由于自由曲面的設(shè)計會隨視場(field)變化，為了分析系統(tǒng)的FOV我們需要盡可能設(shè)定更多的視場點(diǎn)。OpticStudio允許使用者在給定的視場中間分割，并有效率進(jìn)行優(yōu)化。此外，這些視場點(diǎn)還必須在X和Y方向給予定義。由于范例檔案中的光學(xué)系統(tǒng)并非旋轉(zhuǎn)對稱(該系統(tǒng)對稱于YZ平面，但對XZ平面是非對稱的)，我們無法確保光線在正向和負(fù)向均有相同的行進(jìn)路線。 fqxMTTg@  
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