1 / 15
文档名称:

激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究 厉冰川.pdf

格式:pdf   大小:952KB   页数:15页
下载后只包含 1 个 PDF 格式的文档,没有任何的图纸或源代码,查看文件列表

如果您已付费下载过本站文档,您可以点这里二次下载

分享

预览

激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究 厉冰川.pdf

上传人:cj83252951 2022/12/6 文件大小:952 KB

下载得到文件列表

激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究 厉冰川.pdf

相关文档

文档介绍

文档介绍:该【激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究 厉冰川 】是由【cj83252951】上传分享,文档一共【15】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究 厉冰川 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。:.
激光与光电子学进展
Laser&OptoelectronicsProgress
ISSN1006-4125,CN31-1690/TN
《激光与光电子学进展》网络首发论文
题目:激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究
作者:厉冰川,张杰,向诗文,王畅
收稿日期:2022-05-24
网络首发日期:2022-07-26
引用格式:厉冰川,张杰,向诗文,
究[J/OL].激光与光电子学进展.
.
网络首发:在编辑部工作流程中,稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶
段。录用定稿指内容已经确定,且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期
刊特定版式(包括网络呈现版式)排版后的稿件,可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出
版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出
版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定;学术研究成果具有创新性、科学性和先进性,符合编
辑部对刊文的录用要求,不存在学术不端行为及其他侵权行为;稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、
出版的技术标准,正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。
为确保录用定稿网络首发的严肃性,录用定稿一经发布,不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容,
只可基于编辑规范进行少量文字的修改。
出版确认:纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社有限公司签约,在《中国
学术期刊(网络版)》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版,以单篇或整期出版形式,在印刷
出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊(网络版)》是国家新闻出
版广电总局批准的网络连续型出版物(ISSN2096-4188,CN11-6037/Z),所以签约期刊的网络版上网络首
发论文视为正式出版。
:.
췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-07-2609:21:34
췸싧쫗랢뗘횷ꎺ.
激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究
厉冰川1,张杰*1,向诗文1,王畅2
1嘉兴中润光学科技股份有限公司,浙江嘉兴314000
2现代光学仪器国家重点实验室,浙江大学光电科学与工程学院,浙江杭州310027
摘要为了抑制激光扫描显示的画面在经过二维出瞳扩展后出现的带状亮斑以改善显示效
果,分析并讨论了画面中带斑产生的原因,研究了与带斑对比度相关的光学系统参数,接着
提出了使用双层平板光波导叠加进行出瞳扩展以抑制带斑对比度的方法。仿真表明,当两层
,%。
这种方式在不显著增加系统体积且具有较好工艺可实施性的前提下实现了对带斑现象的抑
制,改善了系统成像质量,为激光扫描光机在增强显示系统中的应用提供了一种可行方案。
关键词几何光学;激光扫描显示;带斑;增强现实
中图分类号O435文献标志码A
ResearchonBandingPatternsuppressedWaveguideinLaserBeam
ScanningAugmentedRealitySystem
LiBingchuan1,ZhangJie*1,XiangShiwen1,WangChang2
1JiaxingZMAXOptechCo.,Ltd.,Jiaxing314000,Zhejiang,China
2StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,CollegeofOpticalScience
andEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China
AbstractInordertosuppressthebandingpatternsappearedintheimage,whichis
displayedbylaserbeamscanningsystem,aftertwo-dimensionalexitpupilexpansion,andto
improvethedisplayquality,therelatedreasonswereanalyzedanddiscussed,andthe
,the
methodthatusingdual-layeredplanarwaveguidetosuppressbandingcontrastwasraised.
Accordingtothesimulation,
,respectively,thebandingcontrastofthepurecolorimagedisplayedbythe
%.Thismethodcansuppressthebandingcontrastandimprovethe
displayqualitywithoutincreasingthesystemvolumesignificantlyorexorbitantprocess

augmentedrealitysystem.
Keywordsgeometricoptics;laserbeamscanningdisplay;bandingpattern;augmented
reality
1引言
增强现实(AR)显示系统的发展给人们带来了将虚拟场景融入现实世界的视觉体验,:.
并催生了在诸如教育、医疗、军事训练、游戏娱乐等众多领域的全新应用[1-2]。为此研究者
们不断地对与之相关的微型显示器、头戴成像系统、传感交互等关键技术进行研究[3]。其中,
基于激光扫描(LaserBeamScanning,LBS)的显示系统以其出众的轻便性和低功耗特性受
到广泛的关注[4]。
基于LBS的显示系统通常用微机电系统(MEMs)扫描振镜控制激光光束进行二维扫
描,并配合对激光光束的强度调制而呈现图案[5-10]。当应用于AR系统中时,由振镜扫描的
激光束通过光学系统后直接在观察者视网膜上形成对图像的感知,因此也被称为视网膜扫描
显示器。早期YasuhikoArakawa、MickaëlGuillaumée等人在眼镜表面制备全息光学元件,
将经MEMs扫描的激光束反射入瞳孔中实现了AR显示[11-13]。日本兄弟工业、QD激光、英
特尔等公司都基于这种系统推出过相关的AR智能眼镜[14],但是这种AR显示系统的出瞳很
小,人眼只有处于某个极小的范围内时能够看到画面,这使此类AR智能眼镜的应用受到极
大的限制。
近年来,出瞳扩展技术[15-18]的发展给LBS显示光机在AR眼镜中的应用提供了新的思
路,扩瞳光波导被证实能够有效地扩大AR显示的眼动范围。但是LBS光机直接与扩瞳光
波导组合时会出现带斑现象,这对成像质量有较大影响。为了抑制带斑现象,微软的产品
HoloLens2在LBS光机中预先扩大出瞳后再与光波导对接[19],丁意桐等人使用中间像面扩
大出瞳后再与光波导对接[20],然而这两种方法同时导致了光机尺寸的增大。本文分析了LBS
光机对接二维扩瞳光波导系统中带斑现象的产生原因,建立模型并仿真分析了带斑对比度的
影响因素,然后提出了通过叠加波导抑制带斑的方法,在不显著增加系统尺寸的情况下抑制
了画面带斑,为LBS光机在AR眼镜中的应用提供了可行方案。
2激光扫描增强现实系统

激光扫描光机搭载扩瞳光波导构成的增强现实系统的模型如图1所示。此系统由高速调
制的激光束、二维MEMs振镜、耦入和耦出光栅、平板波导等部件组成。二维MEMs振镜
将被其反射的激光束高速扫描到耦入光栅区域,光束经过耦入光栅后,以全内反射的形式在
平板波导中向前传播,最终在耦出光栅区域分多次从平板波导中出射进入人眼中。其中激光
束入射MEMs振镜的角度为0,MEMs振镜中心到波导表面的距离为d0,波导的厚度为t。:.
图1基于激光扫描的增强现实系统示意图

在这个系统中,MEMs振镜处为图像源的出射光瞳,而系统中并没有图像源的实像面。
因此,相比于常规的以微显示器为图像源的AR显示系统,基于LBS的AR显示系统不需要
额外的目镜镜头,其最终显示的视场角(FieldofView,FOV)取决于振镜在两个正交方向振
幅H和V。而分辨率取决于MEMs振镜的本振频率、振镜尺寸即画面出瞳直径和激光调制
速度。这些特性使得基于LBS的AR显示系统的光机尺寸不会随着FOV和分辨率的提高而
增大,赋予了LBS光机在穿戴设备中应用的独特优势。
如图1所示,本文中使用的LBS显示系统的视场角为40H28V,振镜快轴的本
振频率为28kHz,振镜镜面是半径rmems,显示分辨率为1280pixels×720
pixels,为了使入射MEMs振镜的激光束与反射激光束在空间上分离,中心视场对应的入射
角18,MEMs振镜中心到耦入光栅面的距离为d,耦入光栅面处实际光斑
00
×。理想情况下,MEMs振镜应当尽可能贴近耦入光栅,有
研究者提出使用偏振转换棱镜和1/4波片可以有效地缩短振镜片到耦入光栅面的距离[21],
但这种方式增加了成本和复杂程度,在光机中较少实际使用。
图2(a)角度定义;(b)扩展出瞳示意图:.
(a)Angledefinition;(b)Schemaofpupilexpansion
波导折射率n,以波长520nm的绿光为例分析。为了减少杂散光,耦入和耦出
光栅能够支持的衍射级次不能超过±1级,因此对于全部视场角范围内(即对于任意的
14,14,20,20),耦入光栅的周期需要满足以下两个条件:
in
222
2222
sincossin,(1)
in
222
2222
sincossinn,(2)
in
其中,式(1)为平板波导内的全内反射条件,而式(2)则为+1级衍射存在的条件。
为了计算方便,式中的角度定义方式如图2a所示。据此我们选取的耦入光栅周期
in382nm。
耦出区域光栅的微结构以蜂窝状周期排布,其在水平方向、与水平夹角+60°和-60°方
向具有相同的光栅常数out,这种光栅能够使光瞳在三个方向上进行扩展,如图2b所示。
类似地,在水平夹角±60°的扩瞳方向上,也需要满足平板波导内的全内反射条件和衍射存
在的条件:
222
2232
sincossin,(3)
outout
222
2232
sincossinn,(4)
outout
由于耦出光栅与耦入光栅的互补性条件,耦出光栅常数outin382nm,经验证其
能够满足式(3)和式(4)的条件。
光束从平板波导中耦出后进入人眼并在视网膜上呈现画面,人眼到平板波导的距离
dERL18mm。

,当显示纯色画面时,在距离平板波导耦出光栅区域18
mm处观察可以看到画面如图3a所示,图中的数字用作辅助对焦。可以观察到画面中有不
规则分布亮斑和暗斑,这种现象被称为带斑,其严重影响了画面的显示效果。:.
图3(a)测试得到的画面光强度分布;(b)计算得到的画面光强度分布
(a)Measuredluminousintensitydistribution;(b)Calculatedluminousintensitydistribution
带斑对比度对显示效果的影响可以用画面的不均匀性评价,其定义为:
Intensity
=(5)
I
IntensityI
其中为显示纯色画面时画面强度的标准差,而为画面强度的平均值。本文使用
光线追迹算法建立了模型以评估不同情况下带斑对比的变化。需要注意的是,实际观察到的
画面的均匀性主要受两种效应影响,其一由于不同视场的光线通过耦入光栅的效率差异和在
耦出光栅区域反射次数差异而导致,这种效应有时会导致画面整体呈现左侧比右侧更亮的现
象,如图3a所示;其二则是由于带斑效应导致,这种效应导致画面局部出现明暗交替的斑
纹。为了排除光栅效率对带斑对比度的影响,我们将所有计算结果向同样参数下光机出瞳直
径为6mm的结果进行归一化(考虑到大多数基于微显示器的光机出瞳直径约为6mm)。此
外,在计算中人眼的瞳孔尺寸均按照直径3mm评估。最终计算得到的纯色画面光强分布如
图3b所示,其中带斑形态与图3a中的测试结果相符合,计算其带斑对比度%。:.
图4(a)不同视场光束路径示意图;(b)中心、(c)右侧、(d)左侧视场光斑与人眼瞳孔示意图
(a)Schematicdiagramofthebeampathfromdifferentfieldofview;Schematicdiagramofbeamspotsand
humanpupilin(b)middle;(c)right;and(d)leftfieldofview.
如图4b所示是中心视场(0,0)光束经过扩瞳之后在观察者瞳孔平面上的光斑
图,中心圆圈为观察者的瞳孔,其直径为3mm。可以观察到此视场光束在经过扩瞳后并没
有形成连续的光斑,而是在瞳孔附近呈现为若干个分离的光斑区域,且相邻光斑区域之间具
有毫米尺度的间距,其中落于瞳孔区域的部分光能量被人眼接受并会聚于视网膜上,表现为
这个点的亮度。当视场角度发生变化时,这些扩瞳后的光斑位置也会相对瞳孔移动,因此整
个画面会在小范围尺度内呈现明暗交替的斑纹。
如图4a为左侧视场光线和右侧视场光线分别传播的路径,可以观察到不同视场光束在
平板波导中全反射角度有很大差异,而光束相邻两次耦出位置之间的距离与反射角的
正切值成正比,即:
2ttan(6):.
这使得不同视场光束经扩瞳后照射在瞳孔平面上的光斑密集程度有巨大的差异。图4c
和图4d绘制了最右侧视场(20,0)和最左侧视场(20,0)光束经扩瞳后
在观察者瞳孔平面上的光斑分布,可见右侧视场光斑密集程度显著高于左侧视场,因此右侧
视场的带斑密度也会高于左侧视场,这与图3a和图3b中的结果一致。
3带斑对比度的影响因素

根据上文的分析,在基于LBS的AR显示系统中,光机出瞳直径过小是引起带斑的主
要原因之一,其中光机出瞳直径取决于MEMs振镜的尺寸。
(实线)(虚线)的系统,不同尺寸的MEMs振镜对应的画面带斑对比度如图5
所示。
图5MEMs振镜半径与带斑对比度之间的关系

由图5可知,,当MEMs振镜半径
,显示画面的带斑对比度均出现了一个先增大后减小的过程,大
约在MEMs振镜半径rmems,然后逐渐下降。由于计算得到的光强分
布结果均向同样参数下光机出瞳直径为6mm的结果归一化,因此在MEMs振镜半径为3mm
时,计算得到的带斑对比度均下降到0%。
、、。
可以观察到,当MEMs振镜半径rmems,原本画面中的亮斑恰好在纵向上连成带,
这使得画面整体的带斑显得尤为清晰。出于成像分辨率的要求,通常基于二维振镜的LBS
光机中,,从本节的结果可知,如果想要通过增大振镜尺寸在:.
缓解显示画面的带斑对比度,需要将振镜半径增大到大约2mm以上才能有较为显著效果。
这通常意味着显示分辨率的急剧下降和光机整体尺寸的增大,实际可实施性不强。
图6当振镜半径分别为(a);(b);(c)
(a);(b);(c)
,respectively

由式(6)可知,平板波导中光束相邻两次耦出位置之间的距离正比于波导厚度,即
波导越薄,则扩瞳后光束分布越密集,显示纯色画面时的带斑对比度也会越低,如图7所示,
纯色画面的带斑对比度和平板波导厚度之间呈现显著的正相关性,
,%%。
图7平板波导厚度与带斑对比度之间的关系

、、,
可见随着平板波导厚度下降,带斑逐渐变得细密,同时亮斑与暗斑之间的亮度差异也随之减
小。:.
图8当平板波导厚度分别为(a);(b);(c)
(a);(b)
mm;(c),respectively
然而在实际应用中,,
同时,随着平板波导厚度降低,出瞳扩展次数增加,系统整体的能量效率也会快速下降。因
此,减小平板波导厚度以抑制带斑可实施性不强。
4波导叠加对带斑的抑制
为了在不明显增加光机尺寸的情况下抑制画面带斑,本文采用了使用叠加的双层波导进
行出瞳扩展的方法。如图9所示,相叠加的双层波导相互平行,厚度分别为t1和t2。从MEMs
振镜反射出来的光束依次经两者的耦入光栅进入两片波导中,
mm的空气层,以保证光束在两层波导中各自以全内反射形式传播。为了获得最好的带斑抑
制效果,需要优化耦入光栅与耦出光栅的效率使从两片波导中耦出到眼动范围内的光能量近
似相等。
图9具有双平板波导的激光扫描的增强现实系统示意图

当两片平板波导厚度有一定差异时,由式(6)可知,两片平板波导中光束相邻两次耦
出位置之间的距离也会不同,因此单一视场的光束从两片平板波导耦出光栅区域出射的
位置将出现差异,这使得此视场光束经过扩瞳后的分布更加密集。从而视场角变化导致的人
眼观察到的画面亮度变化程度减弱,从而能够抑制画面带斑。:.
图10双层平板波导中第一层波导厚度与带斑对比度之间的关系(实线);单层平板波导系统中波导厚度与
带斑对比度之间的关系(虚线)
-layered
waveguide(solidcurve);therelationshipbetweenbandingcontrastandthethicknessofwaveguidein
single-layeredwaveguide(dashedcurve)
如图10所示,随着第一层波导厚度的变化,叠加后的画面带斑对比度呈现周期性的起
伏,这就是由于两层波导中亮斑位置差异导致的。但是叠加后的带斑对比度始终低于单独一
层较厚的波导片扩瞳后观察到的带斑对比度,考虑两层波导中传输的光时空相干性较弱时,
叠加后的带斑对比度为:
1N2
I1iI2iI1I222
Ni11+22I1I2I1I2
=Intensity=(7)
II1I2I1I2
其中I1和I2分别为从两层波导耦出画面的亮度,而1和2分别为从两层波导耦出画面
亮度的标准差。当调控两层波导的耦入效率使从两层波导耦出的光的总亮度相等(即I1I2)
时,叠加后的带斑对比度满足如下关系:
2+2
12max,(8)
12
I1I2
即叠加后的带斑对比度始终低于分别从两个单层波导片耦出后观察到的画面带斑对比
度的较大值。
考虑到加工工艺和结构强度的要求,。在双平
板波导系统中,若将第二层平板波导厚度固定为t2,改变第一层平板波导的厚度t1,
则可以计算纯色画面的带斑对比度如图10中实线所示,图中虚线为相应厚度的单层波导系
统中纯色画面的带斑对比度。可以观察到双层波导叠加后画面带斑对比度相对于单层波导均:.
有显著的下降。此外随着第一层平板波导厚度t1的变化,画面带斑对比度呈现波动变化,这
是由于两层平板波导中光束耦出位置之间的差异周期性变化导致的。当两层平板波导厚度分
别为t1、t2,%,
层波导系统(%)下降程度约22%。此时仿真得到显示纯色画面时的光强
分布如图11所示,可以观察到其中带斑现象相比图3b得到了显著的改善。

-
mm
5结论
通过分析LBS光机出射光束在平板光波导中进行二维扩瞳的过程,得出经过扩瞳后光
束的分布的不连续性是导致画面带斑产生的主要原因。单纯增加LBS出瞳直径并不一定能
够抑制带斑对比度,却常常伴随着系统尺寸的膨胀。减薄平板波导的厚度能够在一定程度抑
制带斑,却受到加工工艺和系统光效限制。而使用厚度不同的两层平板波导叠加的方式能够
有效的抑制带斑现象,,带斑
%。这种方式在不显著增加系统体积且具有较好工艺可实施性的前提下
实现了对带斑现象的抑制,改善了系统成像质量。
参考文献
[1]高源,刘越,程德文,[J].计算机辅助设计与图形学学报,2016,
28(6):896-904.
GaoY,LiuY,ChengDW,[J]
JournalofComputer-AidedDesign&ComputerGraphics,2016,28(6):896-904.
[2]SouzaCLF,MarianoFCMQ,[J].
Computers&IndustrialEngineering,2020,139::.
[3]XiongJ,HsiangEL,HeZ,:emerging
technologiesandfutureperspectives[J].Light:Science&Applications,2021,10(1):1-30.
[4]呼新荣,刘英,王健,[J].红外与激光工程,
2014,43(3):871-878.
HuXR,LiuY,WangJ,-mounteddisplaybasedonretinal
scanning[J].InfraredandLaserEngineering,2014,43(3):871-878.
[5]UreyH,HolmstromS,BaranU,
augmentedrealitydisplayapplications[C]//2013Transducers&EurosensorsXXVII:The
17thInternationalConferenceonSolid-StateSensors,ActuatorsandMicrosystems
(TRANSDUCERS&EUROSENSORSXXVII).IEEE,2013:2485-2488.
[6]XiongJ,TanG,ZhanT,-of-viewlimitinaugmentedrealitywitha
scanningwaveguidedispla