高邊緣視場光學效率的衍射波導準直投影鏡頭設計

黃戰華，高懿冰，伍圓軍，潘 成，蘆暢泰，張尹馨

（1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院 光電信息技術教育部重點實驗室，天津 300072；2.天津大學 四川創新研究院，四川 成都 610200）

引言

頭戴顯示(head-mounted display，HMD)系統是AR 技術的重要組件[1-3]，目前被廣泛應用在醫療、軍事、娛樂和教育等領域。為了適應設備需求，光學設計者選用了諸多不同結構對波導式頭戴顯示系統進行優化改良，增強現實領域的主要應用有birdbath 結構[4-5]、離軸反射式結構[6-7]、自由曲面棱鏡[8-9]、幾何波導[10-11]以及衍射波導[12-13]。市場上普遍采用幾何光學結構的頭戴顯示設備都具有出瞳較小、占用空間較大等缺點，系統體積和重量較大，不適用于頭部佩戴。而衍射波導系統可以將準直投影鏡頭產生的平行光進行擴展和傳輸，達到光瞳擴展、占用空間小、質量輕等效果，適用于眼鏡式頭戴顯示設備[14]。

2012 年，谷歌眼鏡的推出引起了全球范圍內新型頭戴顯示熱潮，推動了HMD 的快速發展[15]。雖然波導式頭戴顯示系統的真實圖像光學效率較好，但虛擬圖像光學效率低于真實圖像，光學效率的不平衡會導致眼睛疲勞。為了解決這一問題，2015 年，Hung 等人[16]提出了一種具有微結構的光波導，該系統通過全內反射(total internal reflection,TIR)傳輸虛擬圖像，從而提高虛擬圖像的光學效率。2016 年，Zhao 等人[17]提出了基于三角形微結構的光波導，該系統虛擬圖像的光學效率大于真實圖像的光學效率，克服了光學效率平衡的限制。2018 年，潘成等人[18]使用進化算法優化了耦合光柵結構，補償了使用硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)照明時的自然漸暈效應，并提高了耦合效率。……