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C N２２Ｇ１３２３/N 长春工程学院学报(自然科学版)２０１９年第２０卷第１期
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．i s s n ．１００９Ｇ８９８４．２０１９．０１．０２９阵列波导透视式A R 眼镜光学系统设计 收稿日期:２０１８－１１－０８
基金项目：安徽省教育厅重点研究项目(K J ２０１７A ７９６)作者简介：梁美玉(１９８６－)
，女(汉)，安徽桐城，工程师主要研究基于F P G A 的嵌入式.
梁美玉
(安徽信息工程学院电气与电子工程学院，安徽芜湖２４１１００
)摘㊀要：针对当前市场上A R 眼镜存在的功耗大㊁重量重等不足，提出阵列波导透视式A R 眼镜光学
系统设计.对A R 眼镜的光学系统进行了设计，采用微型O L E D 显示器作为像源，由阵列波导与目镜系统组成成像光路.实现了３６ʎ视场㊁６m mˑ１０m m 眼动范围㊁全彩显示，调制传递函数MT F 达到全视场大于０．５㊁ 畸变像差小于１％㊁垂轴差小于０．００３m m 的成像效果，保证了佩戴者使用时的观看效果以及佩戴舒适度.
关键词:A R 眼镜；阵列波导透视式；微型O L E D 显示器；目镜系统中图分类号:T N ９１１．７４
文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００９Ｇ８９８４(２０１９)０１Ｇ０１２１Ｇ０３
０㊀引言
A R 技术作为一种增强现实技术,
是将真实场景进行模拟的计算机高级人机界面.A R 眼镜技术是A R 技术主要的应用领域，由光学系统和信息处理系统组成，其中，光学系统设计得好坏直接影响了佩戴者观看时图像显示质量的好坏.不仅如此，光学系统设计还会对眼镜的体积和重量有影响，关系
到佩戴者使用时的舒适度[１]
，所以，光学系统的设计
是整个A R 眼镜设计的重点,
数字迎新系统
也是难点.本文的阵列波导透视式A R 眼镜光学系统，即是针对当前A R 眼镜光学系统现有技术进行的设计和改良.
１㊀阵列波导透视式A R 眼镜光学系统设计
本设计的光学系统由微型O L E D 显示器㊁
目镜系统及阵列波导系统组合，保证A R 眼镜的使用要求.
１．１㊀微型显示器
设计中选择硅基O L E D 显示器作为像源，减去了L C O S 显示器照明所用的P B S 分束棱镜,
保证A R 眼镜目镜系统更轻㊁体积更小.同时，减少照明系统所用的L E D 灯，使采用微型O L E D 显示器的智能眼镜系统功耗大大降低，提高了续航时间.１．２㊀阵列波导光学系统
分析发现,A R 眼镜基板厚度增加是因为当视场增大时，光线在到达出射反射镜之前，首先撞到了基板
表面，通过基板表面全反射又返回基板，导致传播方向偏离原来方向，出射后会形成鬼像.因此，本设计的阵列波导透视式光学系统，是在光线入射到基板表面之前放置一片与原出射反射镜平行的反射面，光线会在通过反射面反射，并保持与通过出射反射镜同样的方向，实现增大视场的同时减薄基板厚
度，实现了更好的人机功效的A R 眼镜[２]
,
外形架构如图１所示
.
(a
)
中心视场主光线追迹图(b
)各个视场主光线追迹图图１㊀阵列波导透视式光学系统光线追迹
１．３㊀目镜系统
为了使透视式A R 眼镜结构紧凑㊁
便于装配，目
镜系统采用一体化设计，所有透镜胶合在一起.为了减轻重量，目镜系统采用玻璃材料和光学塑料材料混合的形式.为了达到A R 眼镜的眼镜形式，设计的目镜系统将耦合折射方式与阵列波导.１．４㊀光学系统整体设计
本设计的阵列波导透视式A R 眼镜光学系统是将阵列波导㊁目镜系统及微型O L E D 显示器组合起来完成的.如图２所示
.
波速测试仪
图２㊀阵列波导透视式智能眼镜光学系统微型O L E D 显示器作为图像源发出的成像光
束，经过目镜系统①准直后，再通过耦合棱镜②，然后进入阵列波导③，视场中的光线将根据全反射定理，全部在波导中进行传播，从光线的入射到光线的出射在反射面上，根据角度选择膜反射㊁透射特性，部分反射出波导，部分透射继续传播.由于阵列波导具有多个出射反射面，每个出射反射面形成一个出瞳，因此，可以在基板厚度很薄的情况下，进行出瞳的扩展，实现大视场和大出瞳④范围显示.
除此以外，本设计也对光学传递函数(MT F )
㊁畸变㊁点列图以及垂轴差进行了思考与设计验证.
１．４．１㊀调制传递函数(MT F )
在光学系统中，该函数是物体在不同空间频率中信息传递能力的描述，物体的整体轮廓通过低频反映，细节部分通过高频反映，这种描述是对光学系统的像质评价最有效㊁客观㊁全面的描述.A R 眼镜光学系统的MT F 曲线,
如图３所示.图３中可见，各视场M T F 在空间频率为５０l p /m m 处，满足大于０ ２３.由于A R 眼镜是目视观察光学系统，对光学结构的紧凑性要求较高，而对像质
的要求不高，所以，这里的MT F 曲线值是满足A R
眼镜的使用需求的.
１．４．２㊀点列图
光学系统的另一种像质评价方法是点列图.点列图是用来评价大像差光学系统的像质的，比较简单.一般点列图实际有效的弥散斑是集中在３０％
以上的光线圆形区域的，而成像光学系统能分辨的线数就是弥散斑直径的倒数[
３测试机器人
].对于光学系统的像质是否有根据弥散斑彗差和像散，要观察弥散斑的形状，系统畸变的大小以及差，即是观察弥散斑相对中心点的偏差以及不同波长的弥散斑中心的偏
差.这里的A R 眼镜光学系统的点列图如图４
所示
.
图３㊀M T F
曲线
图４㊀A R 眼镜光学系统的点列图
从图４中可以看出，各视场弥散斑的最大均方
根直径不大于０．０２２m m ,
最小均方根直径接近０ ０１２m m ，均有比较好的聚焦效果.１．４．３㊀畸变
畸变主要针对大视场而言，共轭物像平面上的
放大率随视场不同而不同，可以认为畸变就是主光线像差，原因是不同的视场主光线在通过光学系统后与高斯像面的交点高度与理想的像高产生差别.A R 眼镜光学系统畸变像差网格如图５所示.从图５中可以看出,A R 眼镜光学系统为桶形畸变，最大畸变值小于３％，满足设计要求.
１．４．４㊀垂轴差
对于用R G B 三显示的A R 眼镜来说,
由于光学系统对于不同波长单光的折射率不同，因此，各
２
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２０１９,２０(１
)
单光像差不同，通过光学系统后各单光被分开，从而降低A R 眼镜光学系统成像效果.A R 眼镜光学系统垂轴差如图６所示
.
图５㊀A R 眼镜光学系统畸变像差网格
从图６中可以看出，透视式智能眼镜光学系统
全视场最大垂轴差小于０．０１９６，具有比较小的垂轴差像差.
２㊀结语
本文对A R 眼镜的光学系统进行了设计,
采用微型O L E D 显示器作为像源,
由阵列波导与目镜系统组成成像光路.目镜系统采用一体化全胶合设计，结构紧凑，便于装配；阵列波导通过对其鬼像㊁输出均匀性及相邻出射反射面遮挡优化后，具有比较理想的传像效果.实现了３６ʎ视场㊁６m mˑ１０m m 眼动范围㊁
全彩显示，调制传递函数M T F 达到全视场大于０．５
㊁畸变像差小于１％㊁垂轴差小于０．００３m m 的成像效果，光学系统完全满足A R 眼镜的要求虚拟路由器
屏式电脑.
图６㊀透视式智能眼镜光学系统垂轴差
参考文献
[１]韩昕彦．紧凑穿透式视频眼镜光学系统设计[D ]．
杭州：浙江大学,２０１４．[２]黄磊，林祖伦，董戴，等．新型彩L C O S 头盔微显示器
光学系统[J ]．电子器件,２００５,２８(３):２６－２９．[３]林金娜．A R 技术在医学类院校中的应用前景分析[J ]．
中国新通信,２０１８(５):２３６－２３７．
T h eO p t i c a l S y s t e m D e s i g n t oA R g l a s s e sw i t ha nA r r a y W a v e g u i d eP e r s p
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W u h uA n h u i ２４１１００,C h i n a )A b s t r a c t :T h e d e s i g n i sa i m e da t t h es h o r t a g eo fA R g l a s s e s i nc u r r e n tm a r k e t ,s u c ha sh i g
h p o w e rc o n Ｇs u m p t i o na n dw e i g h t ,t h ed e s i g no f t h eo p t i c a l s y s t e mo fA R g l a s s e sw i t ha r r a y w a v e g u i d e p e r s p e c t i v e i s p r o p o s e d ．I n t h i s d e s i g n ,t h e o p t i c a l s y s t e mo fA R g l a s s e s i s d e s i g n e d ．T h em i n i a t u r eO L E Dd i s p l a y i s u s e d a s t h e i m a g e s o u r c e ,a n d t h e i m a g i n g l i g h t p a t h i s c o m p o s e d o f t h e a r r a y w a v e g u i d e a n d e y e p i e c e s y
s t e m ,r e Ｇa l i z i n g t h e ３６ʎv i e w ,６m mˑ１０m me y em o v e m e n t r a n g e ,f u l l c o l o r d i s p l a y
,a n dm o d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n MT Ft ow h o l e f i e l d i s g r e a t e r t h a n ０．５,a n d t h e d i s t o r t i o n a b e r r a t i o n i s l e s s t h a n １％．T h e v e r t i c a l a x i s c o l Ｇ
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