黃斑掃描顯示技術(shù)及擴瞳原理
黃斑掃描顯示（,RSD）是應用于VR/AR領(lǐng)域的一種顯示技術(shù)。這一技術(shù)最早由芝加哥學院人機插口實驗室提出，圖1.1為RSD系統(tǒng)的簡易圖示。
首先，激光器發(fā)出的激光被高速回落的微反射鏡所反射，產(chǎn)生掃描圖象，這與CRT借助電子束偏轉(zhuǎn)掃描的顯示原理相類似。之后，中繼系統(tǒng)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(chǎn)生掃描圖象。
圖1.1RSD系統(tǒng)簡易圖示
這一技術(shù)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(fā)散角引發(fā)的。
圖1.2闡明了光束發(fā)散角與出瞳半徑的關(guān)系。如圖1.2(a)所示，RSD系統(tǒng)中的激光束非常“纖細”，致使出瞳半徑規(guī)格較小；圖1.2(b)所示的常規(guī)目視系統(tǒng)采用微型平板顯示器作為圖象源，因為象素發(fā)光角度θ2較大，可以產(chǎn)生較大的出瞳。
受此啟發(fā)，在RSD系統(tǒng)的反射鏡與中繼系統(tǒng)之間加入光束散射器，可實現(xiàn)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(fā)散的功能，因而都可以拿來實現(xiàn)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(tǒng)；(b)基于平板顯示器的系統(tǒng)；(c)加入擴瞳器件的RSD系統(tǒng)
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(fā)出的激光經(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)作用而聚焦作用微弱。
掃描光束經(jīng)L2的偏轉(zhuǎn)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(jīng)過物鏡成像。微透鏡的聚焦作用使光束發(fā)散，發(fā)散光束經(jīng)過物鏡產(chǎn)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(tǒng)建模，系統(tǒng)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(jié)果，結(jié)果表明出瞳平面的亮度呈現(xiàn)點陣分布，邊沿區(qū)域亮度有較為顯著的增長。
圖2.2單微透鏡陣列系統(tǒng)仿真，(a)系統(tǒng)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(tǒng)，激光器、整形透鏡和MEMS掃描反射鏡都封裝在金屬殼內(nèi)。平板提供圖象源訊號，電路板驅(qū)動激光器以及掃描鏡同步工作。系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)
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(zhì)，生長于PMMA基底的右邊；微透鏡采用圓形密接排列，規(guī)格為12μm×12μm，數(shù)值孔徑高達0.25。圓形微透鏡數(shù)值孔徑是依據(jù)微透鏡的有效焦距與圓形孔徑的對角線規(guī)格而定義的。圖2.4(b)一側(cè)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(cè)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(tǒng)，在實驗光路的出瞳區(qū)域內(nèi)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(chǎn)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(jié)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?qū)蔷€的光強數(shù)據(jù)，得到如圖2.7所示的亮度曲線，結(jié)果表明，出瞳亮度呈現(xiàn)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(tǒng)；2：準直透鏡；3A：單微透鏡陣列；4：物鏡
圖2.6實驗結(jié)果，(a)將單反放在出瞳區(qū)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(tǒng)結(jié)構(gòu)與前一方案大體相同，區(qū)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(shù)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?yōu)樗剑瑘D3.2所示的幾何光路可以說明這一現(xiàn)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(fā)出的“棕色光線”和“藍色光線”經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)建模，系統(tǒng)由激光光源、微透鏡陣列、目鏡以及偵測器組成。器件參數(shù)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(jié)果，與前一方案相比，亮度分布愈發(fā)均勻，并且在周邊區(qū)域存在點陣的“分裂”現(xiàn)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(xiàn)，表現(xiàn)為點陣分裂。
圖3.3雙微透鏡陣列仿真，(a)系統(tǒng)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(tǒng)，在實驗光路的出瞳區(qū)域內(nèi)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(zhì)，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(fā)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(zhì)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(jié)果這達到了預期。
與上一方案（圖2.6(b)）相比，所得出瞳區(qū)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(fā)均勻，因而在出瞳特點上表現(xiàn)優(yōu)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?qū)蔷€的光強數(shù)據(jù)，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(jié)果，(a)將單反放在出瞳區(qū)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(fā)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(xiàn)出瞳擴充，光路結(jié)構(gòu)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(tǒng)建模，系統(tǒng)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(fā)散角為15°×15°，大于實際值。
其他器件參數(shù)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(jié)果，出瞳平面呈現(xiàn)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(jié)果。
圖4.2毛玻璃出瞳擴充仿真，(a)系統(tǒng)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(tǒng)，在實驗光路的出瞳區(qū)域內(nèi)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(fā)散至光路以外，并將部份環(huán)境光發(fā)散至光路以內(nèi)。
據(jù)悉像質(zhì)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(xiàn)了較大的光束發(fā)散角，因而具有更大的出瞳區(qū)域。對出瞳亮度進行量化處理，在中提取水平方向?qū)蔷€的光強數(shù)據(jù)，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(jié)果，(a)將單反放在出瞳區(qū)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(jié)
對比三種擴瞳方案可以發(fā)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(yōu)勢：更高的能量借助率，更好的像質(zhì)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.
