基于增强现实的照明系统光学设计与分析
摘要: 照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分，其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量，因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究，重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系，在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上，对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解，结合偏微分方程法和划分网格法，设计了自由曲面透镜，该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）照明系统。仿真分析j结果表明：系统照度均匀性达到91.96%，若不计偏振影响，照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点，满足增强现实眼镜的需求。
关键词: 增强现实技术；照明系统；准直系统；自由曲面透镜
引言
随着微显示技术的发展，增强现实（augmented reality，AR）技术在游戏、教育、安防、制造等市场的需求不断增加，开发出低成本，质量轻，小型化的设备已成为必然发展趋势。硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）微显示屏具有尺寸小、分辨率高、价格低等优势，广泛应用于AR智能眼镜投影领域中。照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分，评价AR眼镜照明系统的方式主要有系统体积、能量利用率、屏幕均匀性3个指标。对LCoS实现矩形光斑均匀照明，常见方法有复眼照明系统、光棒照明系统、自由曲面透镜照明系统。其中，复眼系统与光棒照明系统光学元件相对较多，增加能量损耗，系统结构比较复杂，导致照明系统的体积比较大，而且制造成本相对较高。自由曲面照明系统有很好的调节光束角度和对光斑整形的能力，与前两者相比，光学元件少，结构更加紧凑，可以在AR眼镜中实现高效均匀照明。
Kanayama H等2006年开发了一款采用LED背光的投影仪，研制了一种新型四面非球面准直器，提高了照明系统的能量利用率，样机的光通量为12 lm。Fournier等2010年提出了一种基于点光源和目标平面之间网格映射的自由曲面反射器，可以得到连续的自由曲面面型，实现了均匀矩形光斑照明。张文字等2010年设计了基于TIR透镜的微型投影光引擎，光源经过照明系统到达LCoS显示芯片上的能量利用率为53.33%，照明系统体积为30 mm×15.6 mm×8 mm。吴真琦等2014年设计了基于自由曲面的匀光器件，光源经过照明系统到达显示芯片上的能量为56.5%。张倩等2014年设计了基于复眼的LCoS微投影系统，光源经过照明系统到达LCoS显示芯片上的能量利用率为61%，照明系统体积为44.2 mm×12 mm×9 mm。
本文讨论的自由曲面照明系统由前方折反射式准直系统与后方自由曲面透镜两部分构成，其中准直系统主要对光源发出的光线进行准直，自由曲面透镜对准直光束进行调控进而实现矩形均匀照明[14]。为了构建准直部分模型，基于光线传输模型建立了系统投影角度与系统面型参数之间的关系，进而得到系统体积与系统参数之间的关系。利用此关系可对准直系统性能进行精确评估，使得到的系统结果很好地与自由曲面透镜进行衔接，实现整体功能。自由曲面透镜设计时基于经典能量守恒定律，利用入射光线和目标平面的一一映射关系最终得到自由曲面面型。
本文首先对光源准直系统体积大小进行分析计算，并涵盖了准直系统设计原理；其次对自由曲面透镜进行设计；再次使用给出的设计结果验证系统性能质量，并与设计的光棒照明系统进行对比，突出本文设计的系统优越性；然后对系统的制造公差进行分析；最后对设计分析结果进行讨论，得出本文结论。本文设计的自由曲面面型连续性好，降低了设计难度，设计的准直系统表面平滑、结构简单，利于生产加工，照明系统的整体尺寸适合头显系统轻盈小型的特点要求，相比于传统照明系统，提升了能量利用率，缩减了结构尺寸。
1.光源准直系统设计原理
照明系统采用LED作为光源，准直系统的形式为旋转对称式结构，准直系统剖面结构图如图1所示。从图1可看出，面1和面2为圆锥曲面，面3为球面，准直系统集光角度为θ1与θ2之和，LED位于O点，准直系统可以将发光角度小于或等于θ1与θ2之和的LED出射光线准直。准直系统分为边缘孔径部分与中心光孔径部分，分别用来处理0～θ1孔径角的光线与θ1～θ2孔径角的光线。其中出射半角小于θ1的光线由中间部分的非球面折射透镜进行准直，出射半角大于θ1的光线由反射式结构进行准直。
图1.准直系统剖面结构图
1.1准直系统参数的确定
准直系统几何原理图如图2所示。图2(a)标注了准直系统的位置长度和口径，h1为面1的半口径，h2为准直系统前端半口径，h3为准直系统后端半口径，z1、z2、z3为光源到准直系统对应面边缘点的沿轴距离；图2(b)标注了系统对应不同表面的曲率半径以及光线经过透镜后的偏折角度，r1为面1的曲率半径，r2为面2的曲率半径，r3为面3的曲率半径，u为光线出射半角为θ1的光线经过透镜时与光轴的夹角。
图2.准直系统几何原理图
图9.准直系统光线追迹模拟图
图15.光线追迹模拟图
......
5.结论
本文采用LED准直系统与自由曲面透镜组合，完成了基于LCoS的AR照明系统的设计。文中重点对准直系统进行了设计和分析，对准直系统的面型构建进行了详细推导，构建了准直系统的体积模型，并讨论了LED光线在准直系统中的入射角度与系统体积的关系，利用此关系对准直系统性能进行准确评估。最终得到的结果可很好地与自由曲面透镜进行衔接，保证了LCoS显示区域上照度均匀性为91.96%，同时光能利用率为66.6%，光能利用率相比以往微型照明系统有所提高，系统结构尺寸大大缩减。最后对此照明系统的可加工性进行了分析，结果表明，准直系统的厚度和自由曲面的面型允差较大，利于实际生产加工。
鉴于篇幅，本文仅为节选（应用光学 第43卷 第2期），全文内容可阅读原文下载PDF文档。
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