摘要：本文提出了一种用于实现大视场紧凑型的增强现实眼镜显示器的方法。采用平面波导以及嵌入的窄带负滤光膜来完成图像的传导和耦合。整个光学系统结构简单，并且具有体积小、质量轻的优点。在此方法下，通过建立光线在波导中的几何导光模型，分析了图像传导的约束条件，得到了波导结构的设计参数以及其与显示视场角之间的关系。根据计算结果，制作了一个3 mm厚的波导耦合器件来进行原理验证。实验结果表明，利用设计的波导元件及搭建的增强现实眼镜显示器的光学系统可以实现虚拟图像的传导以及其与真实环境的融合，测得的显示视场角约为50°。
关键词：增强现实；眼镜显示器；波导；视场角
1 引 言
增强现实(Augmented reality，AR)显示器通过将计算机生成的虚拟物体或者其他信息叠加到真实环境中显示[1]，从而对现实场景进行增强，提高用户对真实世界的感知能力。与虚拟现实(virtual reality，VR)强调的沉浸感不同，AR显示技术不隔离用户与周围真实世界之间的联系，而是侧重于生成一个真实场景和虚拟景物相融合的场景[2]。AR显示器的应用领域很广泛：可以用于军事训练，显示辅助作战信息[3]；工业上可用在产品生产的监控及大型设备的维护中[4]；借助AR显示器，在外科手术中进行精确定位和动态显示有助于减少手术的风险，提高手术的成功率[5-8]；此外，还可以应用于城市规划[9]、古迹复原和数字化文化遗产保护[10]及辅助教学[11]等领域。
随着AR技术的迅速发展，适用于便携移动应用的AR眼镜显示器成为近年来的热点[2]。AR眼镜显示器以眼镜的形式作为支撑，佩戴在用户的头部，其主要由信号处理、光学投影、导波及耦合系统组成。利用光学系统，AR眼镜显示器既能透过从真实环境来的光线，不影响使用者的正常观察；又能将光源投影的图像及所需的信息传导到用户视野中。目前AR眼镜显示器的研究取得了很大的进展，提出了各种光学解决方案。微软推出一款头戴AR显示装置HoloLens，可以完全独立使用，无需线缆连接，无需同步电脑或者智能手机[13]，但是系统体积十分大。同样，自由曲面棱镜[14-15]作为耦合器件的显示系统也存在光学元件厚、体积大的问题。EPSON[16]和Cheng[17]都采用了50/50的反射式波导，分别实现了28°和20°视场角的小型AR眼镜显示器。SONY[18]则在其眼镜显示产品中使用了全息波导技术[19]，水平显示视场仅为19°。全息层比较薄，因此组成的眼镜显示器体积小、质量轻。但是制作全息的有机材料不稳定，全息光栅容易受到环境影响而发生改变[20]。由此可见，在小体积紧凑型的AR眼镜显示器系统中实现大视场的显示仍具有一定的困难[21]。
本文采用平面波导的导光方式，在波导的出射和入射两侧加入可以进行波长选择的负滤光膜作为耦合件，来完成大视场AR眼镜显示器光学系统的设计。相比于其他方式，波导与负滤光膜组合构成的光学耦合器结构简单，系统体积小，视场大。根据理论计算的结果制作了原形样机，搭建了AR眼镜显示器的原理验证和测试系统，在紧凑型的系统中实现了虚拟图像与真实场景的叠加，视场角约为50°。
2 工作原理与理论计算
基于平面波导的增强现实眼镜显示器系统利用双像源双目式的显示方式，即有两个像源和两套光学系统。其中，单侧光学系统结构如图1所示，主要包括投影系统(微型显示器和光学准直镜组)、平面波导及光学耦合器。虚拟图像或信息从微型显示器发出，经过光学镜组的折叠和准直，入射到透明的平面波导上，在波导中借助全内反射传播，直至输出到人眼。
嵌入了窄带负滤光膜[22-23]的波导是传导显示的虚拟图像以及实现虚实融合的重要器件。窄带负滤光膜具有波长选择性，能将某波段内的光线以高反射率反射，而使其他波段内的光线保持高透射率。窄带负滤光膜是多层介质膜，可利用在基底上交替排列的高低折射率的材料形成。光学薄膜的现有技术和研究表明，设计和制备窄带负滤光膜是可行的[24-27]。单峰值的负滤光膜的反射特性曲线如图2所示。当它使用在AR眼镜显示器中时，只有入射图像所在的较窄波段内的光线才能耦入波导中继续经全反射传播，进而在出射端作为信息被耦出；而其他波段的光线大部分会被透射出去。由此，既保证了微型显示源投射的虚拟图像具有高亮度，极大限度地减少了光能损失，同时来自外部真实的环境光线又能以很高的透射率穿过波导而不被遮挡。入射耦合面和出射耦合面倾斜的角度大小相等，方向相反，由此可以使光线以特定的角度进入波导并以相应的角度出射。此外，导出光束的宽度受到出射面尺寸以及波导厚度的限制，因此在出射端平行排布了多个窄带负滤光膜。多个出射面的反射率依次递增(分别为30%、50%和100%)，能够在不增加系统体积并保证亮度均匀的前提下实现出瞳扩展的作用。整个光学系统结构紧凑，光学效率高，可实现大视场显示。
图1 基于平面波导的AR眼镜显示器系统原理图
Fig. 1 Schematic of the planar waveguide based AR smart glasses system
图2 单峰值的负滤光膜的反射特性曲线
Fig. 2 Reflective curve of a single-peaked minus filter
平面波导的设计参数及导光模型如图3所示。倾斜的耦入和耦出窄带负滤光膜关于波导中心是对称的，由此可使光线以特定的角度进入波导并以相应的角度出射。假设负滤光膜与波导表面所成的锐角均为θ(0<θ<π/2)；在波导的入射端，经准直后的一般斜光束在平面波导表面的入射角为α0(-π/2<α0<π/2，约定从入射光线转向入射面法线方向顺时针为正，逆时针为负)；光线进入波导时折射角为α。则由Snell定律可得：
, (1)
其中：n0是空气的折射率，n是波导基板的折射率。为了保证入射光线能够在波导内顺利地传播和导出，波导的设计参数需要满足下列条件：
。 (2)
以上的约束条件中，第一个不等式保证了入射光线向出射端的方向行进；第二个不等式是全反射条件，确保光线在波导上下表面之间连续传导，至出射端之前不泄露到波导外；第三个不等式保证进入波导内的光线不会在耦入负滤光膜上发生多次反射，减少杂散光的产生。式(2)中，全内反射角β有两种表达式。根据光线在波导内的不同轨迹，当第一次全内反射发生在波导的下表面时记为β1，发生在波导的上表面时记为β2：
。 (3)
将式(3)代入式(2)中，可得到满足所列约束条件的波导参数(折射率n=1.52)，如图4所示。横坐标表示负滤光膜的倾斜角θ，纵坐标表示准直光线在空气中的入射角α0。填充的区域内表示符合光线传导条件的波导设计方案。对应不同θ的取值时，波导能传导的最大及最小视角范围不同，也就是视场大小不同。在填充区域外的θ与α0不可用。可传导的视场角Δα0由图4中入射角上边界α01与下边界Δα02的差值得到，即
。由图中可以看出，当θ逐渐增加时，Δα0随之先增大再减小。依据计算曲线对波导结构进行合理的选择，可以实现大视场的图像传导。1区与2区分别对应第一次全内反射发生在波导的下表面和上表面的情况。AR眼镜显示器系统的视场角不仅受到波导可传导视角的限制，同时，还决定于像源及准直镜组能提供的视角范围。因此，在波导设计参数的选取过程中，应该考虑到实际投影系统可提供的视场角。在现有条件下综合考虑，选取了各负滤光膜的倾斜角θ=34°，制作了厚度d为3 mm的波导。在此波导的设计参数下，可计算出能传导的空气中最大视角为α01=18.4°，最小视角为α02 =-34.7°，视场角理论上可达53°。
图3 平面波导的参数及导光模型
Fig. 3 Parameters of the planar waveguide and the geometric model for the propagation of collimated light
图4 负滤光膜的倾斜角与空气中入射角的关系(n =1.52)
Fig. 4 Dependence between the tilted angle of the minus filter and the incident angle in the air (n=1.52)
3 实验结果
在前面已经阐述了平面波导及负滤光膜在AR眼镜显示器中工作的基本原理，并对波导的设计参数进行了理论计算。制作的耦合器件中，光波导的厚度为3 mm，波导基板的材料选用了容易获得的常用光学玻璃，折射率为1.52。在波导内的倾斜面上镀有窄带负滤光膜，倾斜角度为34°，中心波长设计为535 nm，反射带宽50 nm。出射耦合面为3个，峰值反射率分别为33%，50%和100%。按照图5所示的实验装置示意图搭建了显示光路，来验证所提出的导光方式的可行性。在输入端将虚拟图像加载到光学投影源中，通过制作的波导板的传输，在输出端使用相机代替人眼，拍摄接收的图像，得到的实验结果如图6所示。在图6中，能清楚地看到投影的虚拟图像，同时能够看到图像后的背景，成功地实现了虚拟信息与真实场景的叠加。经测量(如图7所示)，投影的虚拟图像的显示范围约为142 mm，中心约在102 mm处；显示的图像与拍摄的相机之间的距离L约为150 mm。由此可以计算出，从系统输出端传导出的视场角∆α¢0约为50°。实际测量与理论计算的相差为3°，可能是测量误差所致。实验表明，本文所阐述的基于平面波导的AR眼镜显示器的导光及耦合方式是可行的，利用所设计和制作的波导，能够按照预期传输图像并实现虚实融合。实验中搭建的AR眼镜显示系统，传导的虚拟图像的显示视场角经测量达到了50°。
图5 实验装置示意图
Fig. 5 Experimental setup
图6 透过原形样机拍摄的虚实融合效果图
Fig. 6 Virtual icons superimposed on real scene captured through the prototype
图7 虚拟图像的显示视角范围
Fig. 7 Viewing angle of the virtual image
4 总 结
本文采用平面波导的结构设计了一种大视场紧凑型的AR眼镜显示器。利用波导进行图像的传导，并利用嵌入在输入和输出端的窄带负滤光膜来完成光线的耦入和耦出。在所提出的结构下，建立了导光模型，理论分析和计算出符合光线传输要求的波导结构参数以及这些设计参数与显示视场角的关系。根据计算结果，制作相应的波导及耦合器件，完成了AR眼镜显示器的显示光路的搭建，并在实验中对波导传导图像的原理进行了验证。实验结果表明，所研制的AR眼镜显示器系统能够将虚拟图像叠加在真实环境中进行显示效果，测得的虚拟图像视场角约为50°。本文所提出的方法可以用于实现大视场紧凑型的AR眼镜显示器。
