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光设内参·视网膜投影系统的出瞳扩展研究

1 视网膜扫描显示技术及扩瞳原理

视网膜扫描显示(Retinal Scanning Display, RSD)是应用于VR/AR领域的一种显示技术。这一技术最早由华盛顿大学人机接口实验室提出,图1.1RSD系统的简易图示。首先,激光器发出的激光被高速震荡的微反射镜所反射,形成扫描图像,这与CRT利用电子束偏转扫描的显示原理相类似。然后,中继系统将扫描光束偏折,使激光束通过人眼的瞳孔中心并在视网膜上形成扫描图像。

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1.1 RSD系统简易图示

这一技术采用激光器作为光源,因此具有高效率和高亮度的显示特性,但是激光器的使用也带来了一个缺陷:出瞳过小,即人眼只能在非常小的范围内观察到图像。究其原因,这是激光束较小的发散角引起。图1.2揭示了光束发散角与出瞳直径的关系。如1.2(a)所示,RSD系统中的激光束十分纤细,导致出瞳直径尺寸较小1.2(b)所示的常规目视系统采用微型平板显示器作为图像源,由于像素发光角度θ2较大,可以形成较大的出瞳。受此启发,在RSD系统的反射镜与中继系统之间加入光束散射器,可实现出瞳扩展如图1.2(c)所示,也称这样的光束散射器为出瞳扩展器。

毛玻璃、衍射光学元件以及微透镜阵列都具有光束发散的功能,因此都可以用来实现出瞳扩展。以下分别介绍基于准直透镜+微透镜阵列、两个微透镜阵列和毛玻璃的三种出瞳扩展方案,并对它们进行仿真分析与实验验证。

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1.2 (a)RSD系统;(b)基于平板显示器的系统;(c)加入扩瞳元件的RSD系统

2 准直透镜+微透镜阵列扩瞳

 2.1 工作原理

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2.1 基于单微透镜阵列的扩瞳方案L1:激光整形透镜;L2:准直透镜;MLA:微透镜阵列;P1:微透镜阵列后焦平面

如图2.1所示,半导体激光器发出的激光经过整形透镜L1,被高速震荡的微反射镜所反射,在透镜L2的表面形成扫描图像。在光路中,扫描光束的直径远小于透镜L2的直径,因此透镜L2对光束主要起偏转作用而聚焦作用微弱。扫描光束经L2的偏转后,正入射至微透镜阵列。微透镜将光束聚焦于后焦平面P1,同时P1位于目镜的焦平面位置,经过目镜成像。微透镜的聚焦作用使光束发散,发散光束经过目镜形成一定大小的出瞳。

 2.2 仿真

使用VirtualLab软件对出瞳平面的照度分布进行仿真。如图2.2(a)所示,在CAD界面进行系统建模,系统由激光光源、微透镜阵列、目镜以及探测器组成。其中微透镜和目镜均采用理想光学元件。设置入射光为波长520nm、束腰直径100μm的高斯光束,微透镜孔径12μm×12μm,焦距24μm,目镜焦距33mm。设置目镜与微透镜阵列的距离为33.024mm,探测器与目镜的距离为33mm。图2.2(b)为仿真结果,结果表明出瞳平面的照度呈现点阵分布,边缘区域照度有较为明显的下降。

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 2.2 单微透镜阵列系统仿真(a)系统模型图;(b) 出瞳平面照度分布

2.3 实验

2.3所示为实验所用激光投影系统,激光器、整形透镜和MEMS扫描反射镜都封装在金属壳内。平板提供图像源信号,电路板驱动激光器以及扫描镜同步工作。系统采用520nm半导体激光器,最大功率为80mWMEMS扫描反射镜可以实现35°×25°的激光扫描角度,扫描分辨率为1024×600,帧率达到50Hz

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2.3 激光投影系统

2.4(a)所示为实验所用的微透镜阵列。微透镜阵列为PMMA材质,生长于PMMA基底的一侧;微透镜采用方形密接排列,尺寸为12μm×12μm,数值孔径高达0.25。方形微透镜数值孔径是根据微透镜的有效焦距与方形孔径的对角线尺寸而定义的。图2.4(b)左侧为实验所用的目镜,具有33mm焦距和40°视场角,眼点距达25mm。右侧为光路所用的非球面准直透镜,焦距49mm,直径60mm

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 2.4实验所用光学器件(a)微透镜阵列;(b)目镜和准直透镜

如图2.5所示,搭建单微透镜阵列的实验光路。点亮激光投影系统,在实验光路的出瞳区域内使用相机进行拍摄,得到图2.6(a)所示的显示效果。所拍摄图像的边缘存在一定的模糊,这是光束在微透镜阵列与前后两个透镜之间的多次反射而形成的鬼像,微透镜阵列表面没有增透膜系,反射率较高,使得鬼像较为明显。在出瞳平面处放置一块毛玻璃,使用相机在毛玻璃后拍摄,得到如图2.6(b)所示的出瞳图样。出瞳直径的理论计算值约为16.5mm,实验所得结果达到了预期。对出瞳照度进行量化处理,在Matlab中提取水平方向对角线的光强数据,得到如图2.7所示的照度曲线,结果表明,出瞳照度呈现中心强,边缘弱的分布趋势。

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 2.5 单微透镜阵列实验光路1:激光投影系统;2:准直透镜;

3A-单微透镜阵列;4-目镜

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 2.6 实验结果(a)将相机置于出瞳区域所拍摄的图像;(b)出瞳平面照度分布

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 2.7 一维出瞳照度曲线

3. 两个微透镜阵列扩瞳

3.1 工作原理

如图3.1所示,基于双微透镜阵列的系统结构与前一方案大体相同,区别在于,去掉了准直透镜L2,在P1平面处加入另外一个微透镜阵列。两个微透镜阵列MLA1MLA2参数相同,二者的距离为微透镜的焦距f。两个微透镜阵列对扫描的激光束有自动准直功能,微透镜阵列之后的光锥自动变为水平,图3.2所示的几何光路可以说明这一现象的原因。图中棕线代表正入射光束,蓝线代表斜入射光束。微透镜1位于微透镜2的焦平面上,因此其上某一点发出的棕色光线蓝色光线经过微透镜2后互相平行,所以整体来看,斜入射的光束也会形成平行的光锥,只是光锥的位置会有所偏移。

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3.1 基于双微透镜阵列的扩瞳方案

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3.2双微透镜的几何光学特性(a)平行水平光束入射;(b)平行斜光束入射

3.2 仿真

使用VirtualLab对出瞳平面的照度分布进行仿真。如图3.3(a)所示,在CAD界面进行系统建模,系统由激光光源、微透镜阵列、目镜以及探测器组成。元件参数设置与上一方案相同,仅略微改动元件设置:设置两个微透镜阵列的间距为0.024mm,目镜与阵列2的距离为33mm,探测器与目镜的距离为33mm。图3.3(b)为仿真结果,与前一方案相比,照度分布更加均匀,但是在周边区域存在点阵的分裂现象,原因在于:由于衍射效应,在MLA2的表面,光束不会汇聚为理想的几何点,而是一个弥散斑。弥散斑扩散到相邻的微透镜,这一串扰导致了杂光的出现,表现为点阵分裂。

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 3.3 双微透镜阵列仿真(a)系统模型图;(b) 出瞳平面照度分布

3.3 实验

如图3.4所示,搭建双微透镜阵列的实验光路。点亮激光投影系统,在实验光路的出瞳区域内使用相机进行拍摄,得到图3.5(a)所示的显示效果。与前一方案(图2.6(a))相比,图像的亮度有所下降,原因在于实验所用微透镜阵列为PMMA材质,表面没有增透膜系,采用两个微透镜阵列会使图像亮度有所下降。对比发现图像的清晰度也有所下降,原因在于,由于实验条件的限制,难以精确控制两个微透镜阵列的相对位置,它们的错位导致了图像边缘模糊,像质下降。在出瞳平面处放置一块毛玻璃,使用相机在毛玻璃后拍摄,得到如图1.12(b)所示的出瞳图样。出瞳直径的理论计算值约为16.5mm,实验所得结果这达到了预期。与上一方案(图2.6(b))相比,所得出瞳区域面积更大,而且照度分布更为饱满,即,边缘照度分布下降缓慢,整体上照度分布更加均匀,因此在出瞳特性上表现优于单微透镜阵列方案。对出瞳照度进行量化处理,在Matlab中提取水平方向对角线的光强数据,得到如图3.6所示的照度曲线,对比图2.7可知二者的轴上照度分布基本相同。

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 3.4 双微透镜阵列实验光路

图片14.png 3.5 实验结果(a) 将相机置于出瞳区域所拍摄的图像;(b)出瞳平面照度分布

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 3.6 一维出瞳照度曲线

4. 毛玻璃扩瞳

4.1 工作原理

毛玻璃的随机折射可以发散光束,因此将图3.1中的两个微透镜阵列用毛玻璃替换也可以实现出瞳扩展,光路结构如图4.1所示。

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 4.1 基于毛玻璃的扩瞳方案

4.2 仿真

使用VirtualLab对出瞳平面的照度分布进行仿真。如图4.2(a)所示,在CAD界面进行系统建模,系统由激光光源、毛玻璃、目镜以及探测器组成。由于仿真运算量的限制,设置毛玻璃对光束的发散角为15°×15°,小于实际值。其他元件参数设置与上一方案相同。设置目镜与毛玻璃的距离为33mm,探测器与毛玻璃的距离为33mm。图4.2(b)为仿真结果,出瞳平面呈现均匀的散斑分布,这是相干光源与随机散射器相作用的必然结果。

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 4.2 毛玻璃出瞳扩展仿真(a)系统模型图;(b) 出瞳平面照度分布

4.3 实验

如图4.3所示,搭建毛玻璃扩瞳的实验光路。点亮激光投影系统,在实验光路的出瞳区域内使用相机进行拍摄,得到图4.4(a)所示的显示效果。与前两个方案相比,图像的亮度明显下降,这是由于毛玻璃的随机偏折,将部分图像源的光发散至光路以外,并将部分环境光发散至光路以内。此外像质也有所下降,所得图像具有较为明显的散斑。在出瞳平面处放置一块毛玻璃,使用相机在毛玻璃后拍摄,得到如图4.4(b)所示的出瞳图样。由于毛玻璃对光束的偏折能力较强,实现了较大的光束发散角,因此具有更大的出瞳区域。对出瞳照度进行量化处理,在Matlab中提取水平方向对角线的光强数据,得到如图4.5所示的照度曲线,照度线型接近高斯分布,符合随机散射器的散射特性。

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 4.3 毛玻璃出瞳扩展实验光路3C为毛玻璃)

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 4.4 实验结果(a)将相机置于出瞳区域所拍摄的图像;(b)出瞳平面照度分布

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 4.5 一维出瞳照度曲线

5. 总结

对比三种扩瞳方案可以发现,基于微透镜阵列的两种方案相对于毛玻璃的扩瞳方案具有明显的优势:更高的能量利用率,更好的像质以及更好的出瞳均匀性。就两种基于微透镜阵列的方案而言,使用两个微透镜阵列的扩瞳效果更佳。文献[1]采用紧凑的离轴光路对三种扩瞳方案进行验证和分析,在此列出以供感兴趣的读者阅览:

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参考文献

[1] Han Jian, Cheng Dewen, Wang Yongtian. Retinal scanning display with microlens-array-based exit pupil expanders[C]. Proc. of SPIE - Optical Sensing and Imaging Technologies and Applications, 2018, 108462W: 1-7.

 

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