CN116560094A - Ar衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法 - Google Patents

Ar衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，是将需要优化的目标函数设置为均匀性参数和平均出光效率，利用算法优化耦入光栅，扩瞳区域光栅的形貌参数，以改善人眼在眼动范围内不同的出瞳位置时，整个视场的出光均匀性和耦出效率。本发明通过优化耦入，扩瞳区域的光栅参数，提高了人眼在不同的出瞳位置时接收到的图像均匀性和亮度，改善AR衍射光波导的整体显示效果。

Description

AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法
技术领域
本发明涉及AR衍射光波导的均匀性优化，具体涉及一种AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法。
背景技术
近些年来，人与计算机之间相互交互的方式迅速发展，增强现实(AugmentedReality,AR)显示可以给使用者提供更多维度的信息，得到人们广泛的关注。而由于衍射光波导体积轻薄，透明度高，眼动范围(eyebox)大等优点，成为AR领域的主流技术发展方向，在军工、三维建模、实时跟踪、医疗技术等方面具有广泛的应用。基于浮雕型的AR衍射光波导的结构一般分为耦入光栅区域和扩瞳区域。耦入光栅是将光机中的光耦入进波导片内进行全反射；扩瞳区域可以实现光路的二维扩展，扩瞳之后的光束由耦出光栅耦出波导，让人眼在一定的眼动范围内观察到图像。
在AR衍射光波导中，光机中的光呈锥形入射，不同角度的光打到光栅上有不同的衍射效率，最后呈现在佩戴者的视场中是一副明暗变化的图像，导致人眼观察图像的视场不均匀性。并且当光经过光栅的区域，每次传播都会因为光栅衍射损失一部分光能量，在眼动范围内，人眼在不同的出瞳位置内接收到的图像也会有明暗差距，导致在眼动范围的不均匀性。视场的不均匀性和眼动范围的不均匀性反映了所设计的波导的显示质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，通过AR衍射光波导的耦出均匀性的设计方案，可以提高人眼在眼动范围内的不同位置时整个视场均匀性和耦出光栅的出光效率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，是将需要优化的目标函数设置为均匀性参数和平均出光效率，这个均匀性参数可以同时代表视场的均匀性和eyebox的均匀性，利用算法优化耦入光栅，扩瞳区域光栅的形貌参数，以改善人眼在眼动范围内不同的出瞳位置时，整个视场的出光均匀性和耦出效率；其波导类型包括一维光栅的光波导，二维光栅光波导和特殊的蝶形类型的光波导，同时也包括彩色光波导和单色光波导，其优化方法包括：
根据入射光的FOV，波导的折射率确定耦入光栅的周期范围，要求耦入进到波导主体的光的衍射角大于全反射临界角；
根据入射光的波长，FOV和波导材料，对耦入光栅的光栅参数进行优化，所述需要优化的耦入光栅参数包括光栅的周期，深度，占空比；
根据优化之后的耦入光栅周期确定扩瞳区域的光栅周期，并将扩瞳区域划分为不同的子区域；
根据人眼的瞳孔尺寸将眼动范围划分为不同的子区域，计算在眼动范围的不同位置时不同视场角的出光功率；
根据上述步骤计算的耦出光功率，以平均耦出光功率和均匀性参数为优化目标，利用算法优化扩瞳区域的光栅参数。
所述同时衡量视场均匀性和眼动范围均匀性的均匀性参数Auniformity为：
其中，Amax和Amin是在整个眼动范围内的所采样视场的最大和最小光功率。
所述耦入光栅的优化步骤为：
(1).确定耦入光栅的优化参数的范围；
(2).利用傅里叶模态法计算FOV内的耦入光栅的衍射效率；
(3).以耦入光栅的平均衍射效率和标准差为优化的目标函数对光栅参数进行优化；
(4).优化结束，输出最优解的光栅参数和衍射效率分布图。
所述对扩瞳区域的转折光栅和耦出光栅优化步骤：
(1).确定扩瞳区域光栅的优化参数的范围；
(2).结合傅里叶模态法和光在自由空间传输计算出瞳光效；
(3).以出瞳的平均光功率和均匀性参数为优化的目标函数对光栅参数进行优化；
(4).优化结束，输出最优解的光栅参数和eyebox的光功率分布图。
本发明采用上述技术方案所设计的AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，通过将需要优化的目标函数设置为本发明提出的均匀性参数和平均出光效率，利用算法优化耦入光栅，扩瞳区域光栅的形貌参数，可以改善人眼在眼动范围内不同的出瞳位置时，整个视场的出光均匀性和耦出效率。
附图说明
图1表示本发明光波导类型的结构示意图；
图2表示本发明耦入光栅的优化流程示意图；
图3表示本发明耦入光栅衍射效率图随横向视场H和纵向视场V的函数关系图；
图4表示本发明扩瞳区域的转折光栅101和耦出光栅102分区示意图；
图5表示本发明根据图4的模型的初始结构结构，结合傅里叶模态法(FMM)光在自由空间内的传播可以计算得在眼动范围不同位置时整个视场角的光功率分布图；
图6表示本发明对扩瞳区域的转折光栅和耦出光栅进行优化的流程示意图；
图7表示本发明优化后的不同视场下的眼动范围的光强分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法作具体说明。
AR衍射光波导的均匀性优化需要同时考虑眼动范围的均匀性和视场均匀性，本发明提出的一种均匀性参数的优化方法可以同时衡量眼动范围的均匀性和视场均匀性。
本发明提供的光波导优化方法适用于一维光栅光波导(图1A)、二维光栅的光波导(图1B)和蝶形(Butterfly)的光波导(图1C)。同时也适用于彩色光波导和单色光波导的眼动范围均匀性和视场均匀性的优化。
本发明以FOV 40°单绿一维衍射光波导的设计优化为例(图1A)。光机中的光以横向视场H(-17.4°—+17.4°)和纵向视场角V(-9.8°—+9.8°)入射到耦入光栅在波导主体发生全发射，经由转折光栅和耦出光栅共同形成二维扩瞳。
根据入射光的FOV，波导的折射率确定耦入光栅的周期范围，要求耦入进到波导主体的光的衍射角大于全反射临界角；
根据入射光的波长，FOV和波导材料，对耦入光栅的光栅参数进行优化，所述需要优化的耦入光栅参数包括光栅的周期，深度，占空比；
根据优化之后的耦入光栅周期确定扩瞳区域的光栅周期，并将扩瞳区域划分为不同的子区域；
根据人眼的瞳孔尺寸将眼动范围划分为不同的子区域，计算在眼动范围的不同位置时不同视场角的出光功率；
根据上述步骤计算的耦出光功率，以平均耦出光功率和均匀性参数为优化目标，利用算法优化扩瞳区域的光栅参数。
耦入光栅的优化示意图如图2所示：
在步骤200中，在本实施例中，耦入光栅为倾斜光栅，考虑到光刻、刻蚀以及压印等工艺限制，光栅的倾斜角范围-30°—+30°，光栅的纵深比不超过2:1,以及光栅的周期需要满足光在波导中传播的全反射条件，设定需要优化倾斜光栅参数的优化范围；
在步骤201中，将满足初始条件的光栅参数带入到FMM(傅里叶模态法Fouriermodal method)算法中，得到不同视场角下的耦入光栅衍射效率；
在步骤202中，根据步骤201得到的不同视场角的衍射效率(efficiency)，例如采样的视场有m个，计算出m个视场角的平均效率
计算出m个视场衍射效率的标准差(sdt)：
以衍射效率的标准差和平均效率为需要的优化目标函数，使用算法例如遗传算法来优化光栅参数；
在步骤203中，算法迭代结束输出最优化的光栅参数和光栅衍射效率。
由于涉及到多参数的优化，在本实施例中使用非支配序列遗传算法同时优化光栅的衍射平均效率和标准差。光栅衍射效率图随横向视场H和纵向视场V的函数关系图如图3所示，优化的透射+1级的最小衍射效率为0.33，最大的衍射效率0.81，平均效率0.48，标准差0.22。
如图4所示，为扩瞳区域的转折光栅101和耦出光栅102分区示意图。本实例中，转折光栅分成5*3个不同的子区域，耦出光栅102分成3*3个不同的子区域。在对不同子区域的光栅参数进行优化时，子区域划分的越密集，算法的优化收敛的效果可能越好，但是需要平衡计算速度和划分区域的密集程度。
如图5所示，根据图4的模型的初始结构结构，结合傅里叶模态法(FMM)光在自由空间内的传播可以计算得在眼动范围不同位置时整个视场角的光功率分布图，本次实例选取了包括中心和边缘视场的9个采样视场，实际采样视场中，可以选取更多的采样视场个数来反映整个视场的显示效果。眼动范围的大小12mm*9mm。为契合人眼的瞳孔尺寸，将每个视场的眼动范围划分为3*3共9个子区域，每个子区域大小为4mm*3mm。分别计算每个子区域的出光功率Ai，其中i∈(1,2，…m),在本具体实施例中m＝81。平均效率为：
计算出m(m＝81)个效率的均匀性参数Auniformity：
其中，Amax和Amin是在整个眼动范围内的所采样视场的最大和最小光功率。理论上当优化的Auniformity等于1时，此时Amax＝Amin，所以m个光功率的强度都相等。因此固定人眼的位置时，人眼接收到各个视场的光强度相等，并且当人眼在眼动范围内移动时，也感受不到由于出瞳位置差异来带来的图像的明暗变化，所以本申请提出的均匀性参数Auniformity可以同时衡量视场均匀性和眼动范围的均匀性。
按照均匀性参数和平均效率的计算公式，本专利提出的初始结构的均匀性参数为0.15，最大光功率和最小光功率分别为为A32和A55。
对扩瞳区域的转折光栅和耦出光栅进行优化，如图6所示：
在步骤600中，确定扩瞳区域优化的参数范围，本次具体的实例中，扩瞳区域的光栅为一维直角光栅，需要优化的变量有光栅的占空比和高度，优化的光栅参数范围根据光刻和刻蚀的工艺参数确定；
在步骤601中，输入扩瞳区域的转折光栅和耦出光栅参数，结合FMM和光在自由空间传输计算出采样视场的眼动范围内的不同出瞳位置的出光功率Ai；
在步骤602中，根据步骤601得到的m个场角的衍射效率，以均匀性参数和平均出光效率为优化的目标函数来优化扩瞳区域的光栅参数；
在步骤603中，算法迭代结束输出最优化的扩瞳区域光栅参数和出瞳的出光效率。
利用非序列支配遗传算法同时优化出光的均匀性参数和平均出光效率，图7为优化后的不同视场下的眼动范围的光强分布图。与图5所示的未经过的情况相比，均匀性参数提升了2倍，平均强度提升了1.8倍。与未经优化的初始模型的出光效果相比，人眼在不同的出瞳位置接收到图像的视场均匀性和图像亮度均有所改善。
本发明的优选实例提供了一种AR衍射光波导的出光效率和均匀性的设计方案，通过优化耦入，扩瞳区域的光栅参数，提高了人眼在不同的出瞳位置时接收到的图像均匀性和亮度，改善AR衍射光波导的整体显示效果。

Claims (4)

1.一种AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，其特征是将需要优化的目标函数设置为均匀性参数和平均出光效率，这个均匀性参数可以同时衡量视场的均匀性和eyebox的均匀性，利用算法优化耦入光栅，扩瞳区域光栅的形貌参数，以改善人眼在眼动范围内不同的出瞳位置时，整个视场的出光均匀性和耦出效率；其波导类型包括一维光栅的光波导，二维光栅光波导和特殊的蝶形类型的光波导，同时也包括彩色光波导和单色光波导，其优化方法包括：
根据入射光的FOV，波导的折射率确定耦入光栅的周期范围，要求耦入进到波导主体的光的衍射角大于全反射临界角；
根据入射光的波长，FOV和波导材料，对耦入光栅的光栅参数进行优化，所述需要优化的耦入光栅参数包括光栅的周期，深度，占空比；
根据优化之后的耦入光栅周期确定扩瞳区域的光栅周期，并将扩瞳区域划分为不同的子区域；
根据人眼的瞳孔尺寸将眼动范围划分为不同的子区域，计算在眼动范围的不同位置时不同视场角的出光功率；
根据上述步骤计算的耦出光功率，以平均耦出光功率和均匀性参数为优化目标，利用算法优化扩瞳区域的光栅参数。
2.根据权利要求1所述的AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，其特征是所述同时衡量视场均匀性和眼动范围均匀性的均匀性参数Auniformity为：
其中，Amax和Amin是在整个眼动范围内的所采样视场的最大和最小光功率。
3.根据权利要求1所述的AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，其特征是所述耦入光栅的优化步骤为：
(1).确定耦入光栅的优化参数的范围；
(2).利用傅里叶模态法计算FOV内的耦入光栅的衍射效率；
(3).以耦入光栅的平均衍射效率和标准差为优化的目标函数对光栅参数进行优化；
(4).优化结束，输出最优解的光栅参数和衍射效率分布图。
4.根据权利要求1所述的AR衍射光波导眼动范围均匀性和视场均匀性的优化方法，其特征是所述对扩瞳区域的转折光栅和耦出光栅优化步骤：
(1).确定扩瞳区域光栅的优化参数的范围；
(2).结合傅里叶模态法和光在自由空间传输计算出瞳光效；
(3).以出瞳的平均光功率和均匀性参数为优化的目标函数对光栅参数进行优化；
(4).优化结束，输出最优解的光栅参数和eyebox的光功率分布图。
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