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虚拟现实智能硬件2020年12月第1引文:彭旭,高振宇,丁一彤,赵东风,池晓宇。偏振折反射虚拟现实光学系统中鬼像抑制的研究。虚拟现实智能硬件,2020,2(1):70-78DOI:10.1016/j.vrih.2019.10.005·文章·偏振折反射虚拟现实光学系统徐鹏G1*,振宇UGAO2,YitongDING1,东风ZHAO2,XioyuCHI11. 北京航空航天大学青岛研究院仪器与光电工程学院山东青岛2661002. 歌尔股份有限公司有限公司、邮编:266100*通讯作者,pennyxu1996@163.com投稿时间:2019年8月31日修订日期:2019年9月26日接受日期:2019年10月11日摘要背景介绍了一种偏振折反射式虚拟现实光学系统。针对该系统存在的严重重影问题,从设计原理和光学结构两方面分析了产生重影的根本原因。方法使用Lighttools模拟杂散光的分布,并且使用漫射光斑的面积Sd和杂散光的能量比K作为评估手段来选择三个主要的鬼路径。提出了一种通过控制鬼像光路的光焦度来优化光学系统结构抑制鬼像的方法。结果/结论优化后,鬼像路径的Sd提高了40%,K降低了40%。有效地抑制了重影,为虚拟现实光学系统中的重影抑制提供了理论依据和技术支持。关键词 虚拟现实;光学系统;重影;光焦度;光学设计1引言在虚拟现实(VR)领域,一种沉浸式和交互式技术,在智能穿戴中已经看到了快速发展[1]。光学系统是虚拟现实技术中模拟视觉信息的关键设备。VR光学系统分为四种类型:单非球面、单菲涅尔、多叠层和偏振折反射[2]。偏振折反射VR光学系统采用折叠光学结构[3],其具有大视场(FOV)的特点,以及小尺寸和轻重量。它可以满足紧凑、轻便、无线的要求[4],并产生了广泛的研究。目前,该系统应用的主要障碍来自复杂的Ghost图像[5]。光学系统中像面附近的异常透射光的会聚点称为重影[6]。会影响实际成像效果,降低用户体验。大多数旨在抑制鬼像的方法包括限制鬼像在人眼中的传播,包括添加光阑或消光涂料[7,8],或改进加工工艺,例如在光学表面上涂覆抗反射膜或选择特定的偏振膜层并在它们之间匹配特性[9]。这些方法可以在一定程度上减少重影的影响,但是由于处理精度的限制,残留重影仍然存在于系统中。基于这些优化方法,提出了一种基于光学设计的方法,以进一步抑制重影www.vr-ih.com徐鹏等:偏振折反射虚拟现实光学系统中鬼像抑制的研究71通过分析偏振折反射系统的光学结构,优化系统参数,提出了系统的成像方案。2分析重影背后的因素偏振折反射VR光学系统通常由具有不同折射率的两个透镜组成。菲涅耳损耗是由光在这些具有不同折射率的光学介质之间的传输引起的,并且当光穿过介质时会产生这些残余反射光[10]。当这些光到达图像平面时,将形成重影。根据菲涅耳公式,光学材料的表面剩余反射率R与折射率n之间的关系如下:(n-1)2(n+ 1)2(一)公式(1)表示普通光学材料的剩余反射率,其在3%至8%之间。然而,生产的光学表面通常并不理想,因此在实际中剩余反射率较高。考虑到实际产品在光学表面镀有增透膜,表面剩余反射能降低到小于1%,入射能量每个光学表面的剩余反射率设置为2%,考虑实际可见光增透膜和粗糙度,并保留一定的公差范围。在这个阶段,光每次反射时,光的能量降低到反射前能量的10- 2倍,并且光的能量在多次反射之后可以忽略。因此,在本研究中仅考虑来自直接透射的鬼像和由一次反射形成的鬼像,如图1中的B梁和C梁所示。该系统包含许多类型的偏振元件。系统中光的偏振态发生不完全图1透射和反射鬼像图。因为这些元件[11,12]的固有偏振误差,或者光谱范围和显示器之间的失配。如果这些光通过系统传输,鬼魂也会出现。系统[13]中偏振器的排列如图2所示。四分之一波片(QWP)用于将线偏振光转换成圆偏振光或将圆偏振光转换成线偏振光。反射偏振器(RP)可以在一个方向上反射线性偏振光并且在与反射光的偏振方向正交的另一个方向上透射线性偏振光。这两个器件与部分反射器(PartRef)一起构成了折反射器。图2偏振折反射光学系统中的典型元件及布置。R =72虚拟现实智能硬件2020年12月第1n2o-sin2θ1偏振器(POL)和显示器附近的QWP 1用于将发射的光转换为圆偏振光,以满足系统对入射光偏振的要求。当光以非垂直角度穿透光学元件的表面时,反射和透射特性取决于偏振现象[14]。如果光的偏振矢量在包含入射光束和反射光束的平面内,我们称之为p偏振光;如果它垂直于平面,我们称之为s偏振光。任何输入偏振态都可以表示为s和p分量的矢量和。当光在波片中传播时,会产生两束折射光束,这两束光束不再被描述为s偏振和p偏振。其中一条折射光线遵循折射定律,所以称之为寻常光或o光;另一条折射光线则不同,因为它不遵循折射定律,所以称之为非常光或e光。当波长为λ、入射角为θ1、入射面方位角为φ的光束入射到波片上时,对于厚度d,发射光的相位差变化可以计算如下[15]:δ=2π<BO+<E-nA=2π(nd+<$sinθX-n2od)λoλ S1(二)其中,n0和ne是波片对于o和e光的两个主要折射率,并且n是e光的折射率,其可以从广义折射定律导出:sinθ1=nosinθo=nsinθe(3)n=none(ne2cos2 θ+no2sin2 θ)-12(4)cosθ = sinθe cos φ(5)其中,θo是o光的折射角,θe是e光的波法线与波片法线之间的角度,并且θ是e光的波法线与光轴之间的角度。Sx是电子光的坡印廷矢量Se的x方向分量Sx=cosαcosθe+sinθesinαcosφ(1+tan2 θesin2 根据公式(2),对于方位角为0°、波长为632 nm的光束,可以绘制相位差曲线(图3);对 于 垂 直 入射到632nm QWP,可以绘制相位差曲线(图4)。显然,波片的相位延迟与入射光的波长、入射角和方位角有关,因此发散光束通过波片后的偏振分布是不均匀的,偏振器也会引入复杂的鬼像。3实例分析图 5 中 光 学 系 统 的 重 影 图 像 分 析[16 , 17] 使 用Lighttools(照明分析软件)进行。该系统由四个光学表面L1、L2、L3和L4组成,相应的偏振膜层附接到不同的表面(图中未示出)。 理想镜头的作用是模拟人眼在图像中的作用。每个光学表面的透射率为98%。剩余反射率为2%,未报告吸收率。一些反射性物体的反射率电影50% QWP的光程差为图3632 nm光通过QWP的相变曲线。73徐鹏等:偏振折反射虚拟现实光学系统中鬼像抑制的研究移到0.23φ。RP的偏振反射率为98%,偏振透射轴的透射率为98%。蒙特卡罗方法[18]用于分析光在系统中的实际传播。结果表明,系统中存在大量的杂散光。图6是Lighttools中0° FOV处的光线跟踪结果。大量的散射光点分布在实际图像点的周围。评价重影的方法主要有两种:重影漫射光斑面积Sd和重影光路杂散光能量比K。漫射光斑是点光源通过光学系统在像面前后不同截面上形成的衍射像的强度分布。重影在像面上产生的漫射光斑可以反映系统对重影的敏感程度。漫射光斑越小,其能量越集中,亮度越鬼像是相对于像平面而言的,鬼像对人眼越清晰,表明鬼像对系统的影响越大;相反,漫射光斑越大,能量越发散,鬼像对系统的影响越小。在理想的点源成像中,光的强度在像平面之前和之后是对称的,并且随FOV而变化。在实际光学系统成像中,像差等缺陷很容易破坏这种对称性。因此,为了使计算更方便,在模拟过程中将散射散斑视为椭圆,即面积公式为:Sd= πab(7)其中a和b分别是散斑的两个轴的半径杂散光能量比K是指杂散光能量与成像平面上的有效光能量的比。它用于表征杂散光对光学系统的影响。该值越小,杂散光对系统的影响越小。对于特定的光路,公式图4多色光垂直通过QWP的相位变化曲线。图5偏振折反射光学系统结构示意图。图6光线跟踪导致0° FOV。虚拟现实智能硬件2020年12月第17412341122=E鬼/E效果(8)其中,E重影是指路径的杂散光能量,E效应是指系统的有效光能。将这两种方法结合起来,可以从系统的所有杂散光路中提取出会形成鬼像并严重影响成像质量的三条鬼路。具体光路如图7所示。图7主要鬼光路示意图。(a)路径1,(b)路径2,和(c)路径3。图7a是直接传输的重影图像(路径1)。由于系统中相关偏振膜的缺陷,光不能按照理想偏振态传播。一些光能直接透射通过系统以形成重影。由于没有反射,这段杂散光的影响最为显著,K值可以达到5%甚至更高。图7b和图7c示出了L2表面反射重影(路径2)和L3表面反射重影(路径3)。通过L4表面反射的光不能到达第二反射表面L1。由于L2外表面和L3内表面处的残余反射,光被两个表面反射。虽然这两部分光的能量因反射而减少,但光的偏振态与主光的偏振态相同。杂散光可以完全发射系统,因此K仍可超过2%。4优化设计光焦度通常用字母表示。当λ> 0时,光会聚;当λ= 0时,光发散;最后,当λ = 0时,光没有偏转效应,光的传输方向不会改变。<对于单折射球面光焦度,n=(n'-n)/r=n'/f'=-n/f(9)其中n'是图像的折射率,n是物体的折射率,r是球体的半径,f'是图像的焦距,f是物体的焦距。对于由双折射球组成的一组光,如果两侧的焦度为1和2,距离为d,则可以使用以下公式计算总光焦度总计 =1 +100 -d12(10)因此,只要在设计过程中使鬼路的光焦度小于0,就可以增加鬼路漫射光斑,降低鬼像的对比度,有效抑制鬼像。系统中透镜1和2的折射率由n1,n2表示,而r,r,r,r,f,f',f,f',f、f'、f、f '表示L1、L2、L3和L4的曲率半径、物焦点和像焦点。最后3344四个表面的间隔由D1、D2和D3表示。因此,以下情况成立:F=-r1, f'=n1r11(十一)n1-11n1- 1徐鹏等:偏振折反射虚拟现实光学系统中鬼像抑制的研究75=-,n-21=-,n-2423ϕ22332F 为 n1r2、 f'=-r22(十二)n1-12n1- 1F=-r3, f'=n2r33(十三)n2-13n2- 1F 为 n2r4、 f'=-r44(十四)n2-14n2- 1如果从显示器到瞳孔的方向被指定为正,则在正方向上,四个表面的焦度分别1=n1, 1,n3=n2,n4=1FFFF(十五)""2 3 4在相反方向上,L2和L3的光焦度分别'=-(十六)因此,L2和L3光强度的影响可以在入射光从L2到L3和从L3到L2的两个相反过程中被抵消。关于反射过程,四个表面的反射光焦度分别为1r2n1n1-212r=-22,32n2n2-234r=2n2 中国(17)那么,关于系统的对应路径:γ效应:γ1→γ2→γ3→γ4r→γ′→γ′ →γ1r→γ2→γ3→γ4⇒ϕ1 →ϕ4r →ϕ1r →ϕ2 →ϕ3 →ϕ4(18)路径1:101 →ϕ2 → 203 → 204(19)路径2:1→2→3→4r→'→2r→3→4⇒ϕ1 →ϕ2 →ϕ4r →ϕ2r →ϕ3 →ϕ4(20)第三条道路: →ϕ2 →ϕ3 →104r (21)由于光学聚焦的计算比较复杂,所以用符号“→“代替光学面产生的光焦度的叠加。我们可以得到以下结果:对应光路的光焦度要求:电子效应 > 0个第一条道路 <0(二十二)路径2 <0第三条道路 <0基于等式(22),可以在Zemax中优化光学系统。由于路径1的重影效应最显著,因此在优化过程中重影优化的权重会急剧增加。优化后的光学结构为图8和图9显示了优化前后散斑面积的Sd曲线。如图9a所示,路径1的每个FOV中的散射散斑的面积增加;0° FOV中的散射散斑(一)例如,Path 2和Path 3的35° FOV(即中心FOV)显著增加,例如,边缘FOV)在图9b和9c中示出。如在图1中显而易见的,10,的骨料 区域 的 系统增长了约40%。图8优化的光学结构图。3R虚拟现实智能硬件2020年12月第176图9优化前后鬼路径色散的比较。(a)路径1;(b)路径2;(c)路径3。优化结构的杂散能量比K也有所降低。图11是Lighttools中光线跟踪的示意图(以0° FOV 为例)。图中的每一种光的颜色代表一条光路,系统中显然包含许多杂散光路。设置光源发出的光线数量(每一条光线的能量相同),光线数量和光能可以通过检测器测量。表1示出了关于优化前后进入人眼的有效光路和三个重影光路的光的数据。如图所示,0° FOV的K值降低了约40%。5结论本文详细分析了偏振折反射VR光学结构中影响鬼像的因素,并利用Lighttools和Zemax软件模拟了三种鬼像产生的路径。提出了一种通过控制系统中透镜形状、曲率和半径等参数来降低相应鬼像光路光焦度的方法。在优化的系统中,鬼路径扩散图10优化前后散斑面积比图11Lighttool中光线跟踪的插图表1优化前后0° FOV射线数据对比路径射线数之前E/管腔K射线数后E/管腔K效果1310660.28761157653.2496路径12371.09021.81%1640.75441.42%路径21640.7544百分之一点二五950.4370.82%路径33091.42142.36%1070.49220.92%总5.42%3.16%徐鹏等:偏振折反射虚拟现实光学系统中鬼像抑制的研究77光斑增大40%,K值减小40%。该方法提高了有效光的对比度,增强了系统的光学性能,并能有效抑制系统中的鬼像。与现有的工艺优化方案不同,本研究根据系统中鬼像的来源,对鬼像进行了分析和抑制。该方法可广泛应用于虚拟现实产品的设计和加工中。为提高小型VR设备的成像质量提供了重要参考。引用1[10]杨文,李文,李文.用于虚拟现实的头戴式显示器。在:头盔和头戴式显示器和符号设计要求。奥兰多,佛罗里达州,美国,SPIE,1994,2218:41DOI:10.1117/12.1773842Geng Y,Gollier J,Wheelwright B,Peng F,Sulai Y,Lewis B,Chan N,Lam W S T,Fix A,Lanman D,FuY,Sohn A,Bryars B,Cardenas N,Yoon Y,McEldowney S.用于沉浸式近眼显示器的观察光学器件:瞳孔游动/尺寸和重量/杂散光。在:沉浸式显示器的数字光学。斯特拉斯堡,法国,SPIE,2018,10676DOI:10.1117/12.23076713LaRussa J A,Gill A T.全息煎饼窗口TM。视觉模拟与图像现实主义I。San Diego,United 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