2020年12月28日

在OpticStudio中建立擴增實境系統的頭戴式顯示器(HMD)

Category: Product News
在OpticStudio中建立擴增實境系統的頭戴式顯示器(HMD)

 

隨著擴增實境/虛擬實境領域(AR/VR)的不斷發展,Zemax OpticStudio提供了設計下一代這些系統所需的工具。在光學透視頭戴顯示器(OST-HMD)的情況下,該系統透過優化兩個光學路徑:微顯示器投影成像路徑和透視路徑,來利用擴增實境(AR)。這是因為AR將圖形疊加到使用者的真實環境上,而不是完全取代真實環境,這在各種應用中都非常有用,從協助外科醫生到顯示軍事用的戰術資訊。

考量到實際用途,設計者必須將整個光學系統設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等優點。這篇文章說明如何使用楔形自由曲面稜鏡和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)建立上述的光學系統。在OpticStudio中我們會先建立FFS稜鏡,並根據原始規格進行參數設定,接著以微顯示器投影路徑(第一道光路)為目標進行優化。在序列模式中,我們利用多個傾斜或偏心表面建立稜鏡。為了確認各表面的位置和存在必要性,我們必須思考系統中的光線是如何通過稜鏡,並與各表面交互作用的。

 

在完成上述步驟後,我們在多重結構編輯器(multi-configuration editor)中建立膠合輔助鏡頭。藉由這個鏡頭的輔助,可以有效減少畸變的影響,並消除光學系統的屈光能力。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。

在模擬環境中,我們顛倒了整個光學系統,使光線路徑與現實情況完全相反。在實際應用上,我們會以微顯示器作為HMD的光源,人眼的視網膜則會是像面。前後者分別作為整個光學路徑的出/入瞳。然而為了精確的架設各個元件且能有效的在OpticStudio中進行優化,我們會將實際的出瞳作為OpticStudio中的入瞳元件,並以微顯示器作為整個系統的像面。

系統針對RMS波前(wavefront)進行優化,並且以質心(centroid)為參考點。我們可以逐步增加光瞳採樣(Pupil Integration)中的環(ring)和臂(arm)以改良設計。以上步驟均可在優化函數編輯器(Merit Function Editor)中完成。在優化函數編輯器中我們可以針對不同光路制定個別的目標和限制,最後再同時進行優化,因此其優化效率大大提高。

我們可以利用MCE或者其他工具列的功能對系統的表現進行分析。在一些相關分析中的模型使用了自由曲面且具有缺乏旋轉對稱的特性,我們使用了Huygens PSF的分析方法。視場光焦圖(Field Map)是另一個我們可以選用的重要分析工具,在我們的應用系統中,我們使用該功能評估在透視路徑(see-through path)中光線抵達像面時所受到屈光的影響。要達到使人眼無法辨別差異的程度,設計者必須盡可能減少光學系統的屈光能力(約小於0.5D),才可降低使用時的疲勞和不適感。

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作者: Zemax Customer Success 團隊