黃斑掃描顯示技術及擴瞳原理
黃斑掃描顯示（,RSD）是應用于VR/AR領域的一種顯示技術。這一技術最早由芝加哥學院人機插口實驗室提出，圖1.1為RSD系統的簡易圖示。
首先，激光器發出的激光被高速回落的微反射鏡所反射，產生掃描圖象，這與CRT借助電子束偏轉掃描的顯示原理相類似。之后，中繼系統將掃描光束偏折，使激光束通過人眼的眼瞳中心并在黃斑上產生掃描圖象。
圖1.1RSD系統簡易圖示
這一技術采用激光器作為光源，因而具有高效率和高色溫的顯示特點，并且激光器的使用也帶來了一個缺陷：出瞳過小，即人眼只能在特別小的范圍禪修察到圖象。究其緣由，這是由激光束較小的發散角引發的。
圖1.2闡明了光束發散角與出瞳半徑的關系。如圖1.2(a)所示，RSD系統中的激光束非常“纖細”，致使出瞳半徑規格較小；圖1.2(b)所示的常規目視系統采用微型平板顯示器作為圖象源，因為象素發光角度θ2較大，可以產生較大的出瞳。
受此啟發，在RSD系統的反射鏡與中繼系統之間加入光束散射器，可實現出瞳擴充，如圖1.2(c)所示，俗稱這樣的光束散射器為出瞳擴充器。
毛玻璃、衍射光學器件以及微透鏡陣列都具有光束發散的功能，因而都可以拿來實現出瞳擴充。以下分別介紹基于準直透鏡+微透鏡陣列、兩個微透鏡陣列和毛玻璃的三種出瞳擴充方案，并對它們進行仿真剖析與實驗驗證。
圖1.2(a)RSD系統；(b)基于平板顯示器的系統；(c)加入擴瞳器件的RSD系統
準直透鏡+微透鏡陣列擴瞳
2.1工作原理
圖2.1基于單微透鏡陣列的擴瞳方案，L1：激光整形透鏡；L2：準直透鏡；MLA：微透鏡陣列；P1：微透鏡陣列后焦平面
如圖2.1所示透鏡成像原理matlab，半導體激光器發出的激光經過整形透鏡L1，被高速回落的微反射鏡所反射，在透鏡L2的表面產生掃描圖象。在光路中，掃描光束的半徑遠大于透鏡L2的半徑，因而透鏡L2對光束主要起偏轉作用而聚焦作用微弱。
掃描光束經L2的偏轉后，正入射至微透鏡陣列。微透鏡將光束聚焦于后焦平面P1，同時P1坐落物鏡的焦平面位置，經過物鏡成像。微透鏡的聚焦作用使光束發散，發散光束經過物鏡產生一定大小的出瞳。
2.2仿真
使用軟件對出瞳平面的亮度分布進行仿真。如圖2.2(a)所示，在CAD界面進行系統建模，系統由激光光源、微透鏡陣列、目鏡以及偵測器組成。其中微透鏡和物鏡均采用理想光學器件。
設置入射光為波長520nm、束腰半徑100μm的高斯光束，微透鏡孔徑12μm×12μm，焦距24μm，物鏡焦距33mm。設置物鏡與微透鏡陣列的距離為33.024mm，偵測器與物鏡的距離為33mm。圖2.2(b)為仿真結果，結果表明出瞳平面的亮度呈現點陣分布，邊沿區域亮度有較為顯著的增長。
圖2.2單微透鏡陣列系統仿真，(a)系統模型圖；(b)出瞳平面亮度分布
2.3實驗
圖2.3所示為實驗所用激光投影系統，激光器、整形透鏡和MEMS掃描反射鏡都封裝在金屬殼內。平板提供圖象源訊號，電路板驅動激光器以及掃描鏡同步工作。系統采用520nm半導體激光器，最大功率為80mW；MEMS掃描反射鏡可以實現35°×25°的激光掃描角度，掃描幀率為1024×600，分辨率達到50Hz。
圖2.3激光投影系統
圖2.4(a)所示為實驗所用的微透鏡陣列。微透鏡陣列為PMMA材質，生長于PMMA基底的右邊；微透鏡采用圓形密接排列，規格為12μm×12μm，數值孔徑高達0.25。圓形微透鏡數值孔徑是依據微透鏡的有效焦距與圓形孔徑的對角線規格而定義的。圖2.4(b)一側為實驗所用的物鏡，具有33mm焦距和40°視場角，眼點距達25mm。兩側為光路所用的非球面準直透鏡，焦距49mm，半徑60mm。
圖2.4實驗所用光學元件，(a)微透鏡陣列；(b)物鏡和準直透鏡
如圖2.5所示，搭建單微透鏡陣列的實驗光路。照亮激光投影系統，在實驗光路的出瞳區域內使用單反進行拍攝，得到圖2.6(a)所示的顯示療效。所拍攝圖象的邊沿存在一定的模糊透鏡成像原理matlab，這是光束在微透鏡陣列與前后兩個透鏡之間的多次反射而產生的鬼像，微透鏡陣列表面沒有增透膜系，反射率較高，致使鬼像較為顯著。
在出瞳平面處放置一塊毛玻璃，使用單反在毛玻璃后拍攝，得到如圖2.6(b)所示的出瞳圖樣。出瞳半徑的理論估算值約為16.5mm，實驗所得結果達到了預期。對出瞳亮度進行量化處理，在中提取水平方向對角線的光強數據，得到如圖2.7所示的亮度曲線，結果表明，出瞳亮度呈現中心強，邊沿弱的分布趨勢。
圖2.5單微透鏡陣列實驗光路，1：激光投影系統；2：準直透鏡；3A：單微透鏡陣列；4：物鏡
圖2.6實驗結果，(a)將單反放在出瞳區域所拍攝的圖象；(b)出瞳平面亮度分布
圖2.7一維出瞳亮度曲線
兩個微透鏡陣列擴瞳
3.1工作原理
如圖3.1所示，基于雙微透鏡陣列的系統結構與前一方案大體相同，區別在于，除去了準直透鏡L2，在P1平面處加入另外一個微透鏡陣列。兩個微透鏡陣列MLA1和MLA2參數相同，兩者的距離為微透鏡的焦距f。
兩個微透鏡陣列對掃描的激光束有“自動準直”功能，微透鏡陣列以后的光錐手動變為水平，圖3.2所示的幾何光路可以說明這一現象的誘因。
圖中棕線代表正入射光束，藍線代表斜入射光束。微透鏡1坐落微透鏡2的焦平面上，因而其上某一點發出的“棕色光線”和“藍色光線”經過微透鏡2后相互平行，所以整體來看，斜入射的光束也會產生平行的光錐，只是光錐的位置會有所偏斜。
圖3.1基于雙微透鏡陣列的擴瞳方案
圖3.2雙微透鏡的幾何光學特點，(a)平行水平光束入射；(b)平行斜光束入射
3.2仿真
使用對出瞳平面的亮度分布進行仿真。如圖3.3(a)所示，在CAD界面進行系統建模，系統由激光光源、微透鏡陣列、目鏡以及偵測器組成。器件參數設置與上一方案相同，僅略微改動器件設置：設置兩個微透鏡陣列的寬度為0.024mm，物鏡與陣列2的距離為33mm，偵測器與物鏡的距離為33mm。
圖3.3(b)為仿真結果，與前一方案相比，亮度分布愈發均勻，并且在周邊區域存在點陣的“分裂”現象，緣由在于：因為衍射效應，在MLA2的表面，光束不會凝聚為理想的幾何點，而是一個彌散斑。彌散斑擴散到相鄰的微透鏡，這一雜訊造成了雜光的出現，表現為點陣分裂。
圖3.3雙微透鏡陣列仿真，(a)系統模型圖；(b)出瞳平面亮度分布
3.3實驗
如圖3.4所示，搭建雙微透鏡陣列的實驗光路。照亮激光投影系統，在實驗光路的出瞳區域內使用單反進行拍攝，得到圖3.5(a)所示的顯示療效。與前一方案（圖2.6(a)）相比，圖象的色溫有所增長，緣由在于實驗所用微透鏡陣列為PMMA材質，表面沒有增透膜系，采用兩個微透鏡陣列會使圖象色溫有所增長。
對比發覺圖象的清晰度也有所增長，緣由在于，因為實驗條件的限制，無法精確控制兩個微透鏡陣列的相對位置，它們的錯位造成了圖象邊沿模糊，像質增長。在出瞳平面處放置一塊毛玻璃，使用單反在毛玻璃后拍攝，得到如圖1.12(b)所示的出瞳圖樣。出瞳半徑的理論估算值約為16.5mm，實驗所得結果這達到了預期。
與上一方案（圖2.6(b)）相比，所得出瞳區域面積更大，但是亮度分布更為“飽滿”，即，邊沿亮度分布增長平緩，整體上亮度分布愈發均勻，因而在出瞳特點上表現優于單微透鏡陣列方案。對出瞳亮度進行量化處理，在中提取水平方向對角線的光強數據，得到如圖3.6所示的亮度曲線，對比圖2.7可知兩者的軸上亮度分布基本相同。
圖3.4雙微透鏡陣列實驗光路
圖3.5實驗結果，(a)將單反放在出瞳區域所拍攝的圖象；(b)出瞳平面亮度分布
圖3.6一維出瞳亮度曲線
毛玻璃擴瞳
4.1工作原理
毛玻璃的隨機折射可以發散光束，因而將圖3.1中的兩個微透鏡陣列用毛玻璃替換也可以實現出瞳擴充，光路結構如圖4.1所示。
圖4.1基于毛玻璃的擴瞳方案
4.2仿真
使用對出瞳平面的亮度分布進行仿真。如圖4.2(a)所示，在CAD界面進行系統建模，系統由激光光源、毛玻璃、目鏡以及偵測器組成。因為仿真運算量的限制，設置毛玻璃對光束的發散角為15°×15°，大于實際值。
其他器件參數設置與上一方案相同。設置物鏡與毛玻璃的距離為33mm，偵測器與毛玻璃的距離為33mm。圖4.2(b)為仿真結果，出瞳平面呈現均勻的散斑分布，這是相干光源與隨機散射器相作用的必然結果。
圖4.2毛玻璃出瞳擴充仿真，(a)系統模型圖；(b)出瞳平面亮度分布
4.3實驗
如圖4.3所示，搭建毛玻璃擴瞳的實驗光路。照亮激光投影系統，在實驗光路的出瞳區域內使用單反進行拍攝，得到圖4.4(a)所示的顯示療效。與前兩個方案相比，圖象的色溫顯著增長，這是因為毛玻璃的隨機偏折，將部份圖象源的光發散至光路以外，并將部份環境光發散至光路以內。
據悉像質也有所增長，所得圖象具有較為顯著的散斑。在出瞳平面處放置一塊毛玻璃，使用單反在毛玻璃后拍攝，得到如圖4.4(b)所示的出瞳圖樣。因為毛玻璃對光束的偏折能力較強，實現了較大的光束發散角，因而具有更大的出瞳區域。對出瞳亮度進行量化處理，在中提取水平方向對角線的光強數據，得到如圖4.5所示的亮度曲線，亮度線型接近高斯分布，符合隨機散射器的散射特點。
圖4.3毛玻璃出瞳擴充實驗光路（3C為毛玻璃）
圖4.4實驗結果，(a)將單反放在出瞳區域所拍攝的圖象；(b)出瞳平面亮度分布
圖4.5一維出瞳亮度曲線
總結
對比三種擴瞳方案可以發覺，基于微透鏡陣列的兩種方案相對于毛玻璃的擴瞳方案具有顯著的優勢：更高的能量借助率，更好的像質以及更好的出瞳均勻性。就兩種基于微透鏡陣列的方案而言，使用兩個微透鏡陣列的擴瞳療效更佳。文獻[1]采用緊湊的離軸光路對三種擴瞳方案進行驗證和剖析，在此列舉以供感興趣的讀者閱覽：
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參考文獻
[1]HanJian,fúDewen,Wang.with-array-basedexitpupil[C].Proc.ofSPIE-andand,2018,:1-7.
