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未来显示与交互技术高峰论坛——AR头戴显示技术的未来与应用
时间:2018-07-28 14:03来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
北京耐德佳显示技术有限公司暨未来显示与交互技术产业研究院(筹),在北京市石景山区区政府、江苏镇江市高新区政府的指导下,联合欧熠光电科技(上海)有限公司、讯技光电科技(上海)有限公司于2018年11月15日武汉光博会期间举办“AR头戴显示技术的未来与应用”高峰论坛,诚邀行业专家,合作伙伴及同仁参加指导。
 
次日,由欧熠光电科技(上海)有限公司、讯技光电科技(上海)有限公司资深技术专家进行深入技术培训。
 
此次论坛汇集国际领先显示技术专家及产业企业,涵盖LCoS,MicroOLED,Micro
LED等前沿研究领域,并首次汇集国际两大权威光学设计软件VirtualLab Fusion及Code-V权威专家,为您全面分析及讲解头戴显示技术的未来发展趋势,不可错过!
 
VirtualLab Fusion对头戴式近眼显示系统的建模与仿真技术
 
头戴式近眼显示系统是当今用于实现虚拟/混合现实概念的主流方案。在众多近眼显示光学结构中,基于光波导和光栅的方案成为现代光学建模与仿真领域中的热门研究方向。
近眼显示系统有几大结构特点(图1):
在传统纵向显示系统中插入光波导(平面或曲面)以实现光路的横向延申,以此提供真实场景和虚拟图像的同步显示。
使用平面或曲面光波导构成导光结构。
利用衍射光栅实现光耦合进入光波导。
通过光波导表面上(以及内部)光栅的独特排列方式及光栅参数设置,实现波导内光的路径操控,达到出瞳扩展的目的。
密集的多通道输出结构(出瞳扩展)可将显示信息导出至广域出瞳范围,进而消减对系统头戴位置的约束.
通过上述复杂光路实现的输入-输出显示通道均需满足给定的分辨率要求。
 
VirtualLab Fusion针对这些结构特点成功克服其带来的建模仿真难点,提供如下功能:
VirtualLab Fusion是一个统一化的仿真设计平台,内建多种光学元件,包括光波导、衍射光栅、透镜系统等。其中的光波导既可以是平面型也可以是曲面型,并可在其上任意位置设置自定义形状的光栅区域。
对于上述光学系统的仿真,不仅需考虑波导平面之间的往复反射、光栅可能引入的多级衍射,而且需处理两者结合后的复杂光学交互作用。这就需要使用非序列(non-sequential)的传播概念。VirtualLab Fusion提供了序列(sequential)以及非序列(non-sequential)传播,并可在两种传播方式中自由切换,如图1,2。
不同于传统鬼像分析中使用的非序列光线追迹,要正确处理光栅衍射效果必须考虑光的电磁场特性(如偏振),这要求以非序列光场追迹的方式对系统进行仿真。而VirtualLab Fusion是当前唯一满足此要求的商用软件。
VirtualLab Fusion中的傅里叶模态法可用于精确求解光栅衍射问题,它可高效处理周期接近波长范围的光栅的衍射效率计算,并且考虑偏振效应。更值得注意的是,光场在不同光栅区域中往复反射,而VirtualLab Fusion可以利用非序列光场追迹对这种复杂光场传播进行高速精确地处理。
光栅往往产生多个衍射级,其中一个或多个衍射级为工作衍射级,其余为杂光衍射级。在设计过程中,用户可按需选择开启或关闭杂光衍射级。比如在初始设计阶段,通过关闭杂光衍射级可便捷地对光栅工作衍射级传播方向以及传播能量进行设计,然后开启杂光衍射级并对其进行分析,如图2。
当上述光波导加光栅结构设置完成,VirtualLab Fusion会根据预设能量阈值找到范围内所有可能的光束传播路径。每个传播路径对应一个独立的输出通道,系统要求不同输出通道的光信号能量达到均匀,并且需满足人眼视觉分辨率要求。VirtualLab Fusion提供了大量智能探测器,不仅可以探测不同输出通道的能量以及不同通道的能量均匀性,而且可在考虑相干性的前提下正确计算PSF&MTF,如图3,4。
 
图1.近眼显示系统的结构:使用光波导进行导光,使用光栅进行光的耦合以及多通道扩展。左图为结构展示;右图为VirtualLab Fusion中的建模模型。

图2.光线在近眼显示系统中的非序列传播以及光栅杂散光造成鬼像。

图3.多通道输出能量均匀化的建模以及结果图。下图左为结构优化前的输出场,下图右为结构优化后的输出场。
 

图 4 多通道输出情况下传播到人眼瞳孔的通道光强分布,以及考虑不同光场相干性情况下的PSF&MTF的二维分布
 
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