光學(xué)透視增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(optical see-through augmented reality,OST-AR)系統(tǒng)提供前所未有的用戶體驗(yàn)款青，預(yù)計(jì)將對(duì)通信、遠(yuǎn)程工作霍狰、娛樂(lè)可都、醫(yī)療保健、教育蚓耽、模擬和培訓(xùn)等應(yīng)用產(chǎn)生變革性影響。這些新的用戶體驗(yàn)將數(shù)字圖像無(wú)縫疊加在用戶周圍的物理環(huán)境上旋炒。在這些系統(tǒng)中步悠，近眼顯示器是用戶和數(shù)字疊加內(nèi)容之間的主要視覺(jué)接口。因此瘫镇，設(shè)計(jì)OST-AR顯示器以提供視覺(jué)上引人注目的結(jié)果鼎兽，同時(shí)為不同的用戶群體提供舒適的體驗(yàn)至關(guān)重要。為此铣除，OST-AR顯示器必須能夠在目標(biāo)應(yīng)用的視場(chǎng)上顯示高質(zhì)量數(shù)字圖像谚咬，具有大視野和高度的顏色和亮度均勻性，同時(shí)保持設(shè)備輕薄∩姓常現(xiàn)有的OST-AR系統(tǒng)不能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)择卦。
博覽:2021 OpticsExpress 用于輕薄光學(xué)透視AR的全息pancake光學(xué)器件
技術(shù)背景：
光學(xué)透視增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(optical see-through augmented reality,OST-AR)系統(tǒng)提供前所未有的用戶體驗(yàn)，預(yù)計(jì)將對(duì)通信、遠(yuǎn)程工作秉继、娛樂(lè)祈噪、醫(yī)療保健、教育尚辑、模擬和培訓(xùn)等應(yīng)用產(chǎn)生變革性影響辑鲤。這些新的用戶體驗(yàn)將數(shù)字圖像無(wú)縫疊加在用戶周圍的物理環(huán)境上。在這些系統(tǒng)中杠茬，近眼顯示器是用戶和數(shù)字疊加內(nèi)容之間的主要視覺(jué)接口月褥。因此，設(shè)計(jì)OST-AR顯示器以提供視覺(jué)上引人注目的結(jié)果瓢喉，同時(shí)為不同的用戶群體提供舒適的體驗(yàn)至關(guān)重要宁赤。為此，OST-AR顯示器必須能夠在目標(biāo)應(yīng)用的視場(chǎng)上顯示高質(zhì)量數(shù)字圖像灯荧，具有大視野和高度的顏色和亮度均勻性礁击，同時(shí)保持設(shè)備輕薄。現(xiàn)有的OST-AR系統(tǒng)不能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)逗载。
傳統(tǒng)的OST-AR顯示設(shè)計(jì)用于眼鏡形式時(shí)哆窿，可以根據(jù)空間分布大體分為三類，即將光學(xué)元件和光源放置 1) 在處方鏡片(prescription lens,即驗(yàn)光后所需要佩戴規(guī)格的鏡片)的前面厉斟，2) 在處方鏡片的后面挚躯，或 3) 使用處方鏡片的現(xiàn)有表面作為光波導(dǎo)或一些平面光波導(dǎo)和處方鏡片排列，以滿足(驗(yàn)光)處方規(guī)格擦秽。
當(dāng)前不足：
盡管全息pancake光學(xué)器件已經(jīng)早在1985年就被設(shè)計(jì)和制造用于眼鏡式顯示码荔，但是到目前為止(2021年)還沒(méi)有光學(xué)透射式的解決方案。
文章創(chuàng)新點(diǎn)：
基于此感挥，谷歌的Ozan Cakmakci(一作兼通訊)和斯坦福大學(xué)的Gordon Wetzstein等人提出第一款基于全彩全息偏振折疊式pancake光學(xué)器件(4mm厚)的光學(xué)透射式AR(OST-AR)系統(tǒng)缩搅。視場(chǎng)角為29°X12°，大眼動(dòng)框允許水平方向±10mm和垂直方向±3mm的眼球離心運(yùn)動(dòng)(對(duì)于4mm直徑瞳孔而言)触幼。
原理解析：
光學(xué)透射式AR顯示系統(tǒng)包含了微顯示器(0.7'' Sony ECX335C OLED, 8.1um pixels, 1920*1080,500nits)硼瓣、平面光波導(dǎo)、偏振分光鏡置谦、線偏振片堂鲤、全息pancake光學(xué)器件(30%光效)等(見(jiàn)圖1A)。
(1) 從微顯示器上不同像素點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)線偏振片(LP)轉(zhuǎn)化為線偏振光耦合進(jìn)光波導(dǎo)片(Flat lightguide)媒峡，在波導(dǎo)片內(nèi)完成多次內(nèi)反射后經(jīng)偏振分光片(PBS)反射進(jìn)入光透射式全息pancake(見(jiàn)圖1B)瘟栖。
(2) 全息pancake的構(gòu)成順序?yàn)?mark class="span_mark" data-type="1">四分之一波片(QWP)→全息光學(xué)元件(HOE)→偏振分光片和四分之一波片(PBS&QWP)→線偏振片(LP)。由波導(dǎo)片入射進(jìn)pancake的線偏振光經(jīng)第一個(gè)四分之一波片(QWP-1)轉(zhuǎn)化為圓偏振光谅阿，然后大多數(shù)光線透射穿過(guò)全息光學(xué)元件(入射光與HOE的第一次交互半哟，此時(shí)入射角不滿足布喇格條件酬滤，所以透射為主)，然后經(jīng)過(guò)四分之一波片和偏振分光片(PBS&QWP-2)共同作用反射回全息光學(xué)元件發(fā)生衍射作用(此時(shí)反射回的入射角滿足布喇格條件)镜沽，全息光學(xué)元件開始展現(xiàn)出反射鏡的功能敏晤，使得光反射回后續(xù)光路(經(jīng)典pancake的原理見(jiàn)附錄)爵憎。
(3) 全息光學(xué)元件制作艘蹋。在AR系統(tǒng)里，數(shù)字圖像光束和自然場(chǎng)景光束的合束是關(guān)鍵所在洛搀。最簡(jiǎn)單的合束器是一個(gè)50:50的分光片蔬墩，但是對(duì)于頭戴式译打、眼睛式的應(yīng)用來(lái)說(shuō)太笨重了。全息光學(xué)元件是一個(gè)輕薄的平板拇颅，其記錄的是體全息圖奏司，只對(duì)滿足布喇格條件(對(duì)入射角和波長(zhǎng)明確要求)的光形成明亮的衍射再現(xiàn)像，對(duì)不滿足此條件的光則相當(dāng)于一個(gè)透射平板樟插。全息光學(xué)元件可以制作成具有各種光學(xué)功能的元件韵洋，如微透鏡陣列功能，反射鏡功能等黄锤。微透鏡功能的記錄和使用見(jiàn)圖2搪缨。本文將全息光學(xué)元件作為反射鏡使用，通過(guò)將同軸的準(zhǔn)直平面波與同軸的曲率半徑為60mm的球面波在16um厚的光致聚合物(photopolymer)薄膜上干涉形成(兩束光的方向相反鸵熟，從而生成反射模式全息圖)副编。記錄的全息圖在639nm、532nm流强、457nm下多色復(fù)用記錄(記錄裝置示意圖見(jiàn)附錄)痹届，用于彩色顯示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
圖3A為做成可穿戴式的AR顯示器打月，圖3B和C分別為室內(nèi)和室外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果队腐。圖3D為AR顯示器各個(gè)模塊與一個(gè)US quarter硬幣的尺寸對(duì)比。
附錄：
(1) 經(jīng)典pancake光學(xué)器件的原理奏篙。見(jiàn)下圖柴淘。
a、顯示器(DISPlay)的出射光經(jīng)過(guò)線偏振片(LP-2)轉(zhuǎn)化為P線偏光报破，
b、流經(jīng)四分之一波片(QWP-2)轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光(RCP)千绪，
c充易、流經(jīng)50/50分光鏡(BS)，
d荸型、透射的右旋圓偏振光流過(guò)四分之一波片(QWP-1)轉(zhuǎn)換成P線偏光
e盹靴、被偏振分光片(PBS)以P偏振態(tài)形式反射回四分之一波片(QWP-1)
f、P線偏光流經(jīng)四分之一波片(QWP-1)轉(zhuǎn)換成右旋圓偏振光(RCP)
g、右旋圓偏振光(RCP)被分光鏡(BS)反射轉(zhuǎn)換成左旋圓偏振光(LCP)
h稿静、左旋圓偏振光流經(jīng)四分之一波片(QWP-1)轉(zhuǎn)換成S偏振態(tài)線偏光
i梭冠、S線偏光透射偏振分光片(PBS)
j、流經(jīng)線偏振片(LP-1)以S偏振態(tài)進(jìn)入人眼改备。
(2) 本文HOE制作裝置
參考文獻(xiàn)：Ozan Cakmakci, Yi Qin, Peter Bosel, and Gordon Wetzstein, "Holographic pancake optics for thin and lightweight optical see-through augmented reality," Opt. Express 29, 35206-35215 (2021)
DOI：https://doi.org/10.1364/OE.439585
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