黄斑扫描显示技术及扩瞳原理
黄斑扫描显示（,RSD）是应用于VR/AR领域的一种显示技术。这一技术最早由芝加哥学院人机插口实验室提出，图1.1为RSD系统的简易图示。
首先，激光器发出的激光被高速回落的微反射镜所反射，产生扫描图象，这与CRT借助电子束偏转扫描的显示原理相类似。之后，中继系统将扫描光束偏折，使激光束通过人眼的眼瞳中心并在黄斑上产生扫描图象。
图1.1RSD系统简易图示
这一技术采用激光器作为光源，因而具有高效率和高色温的显示特点，并且激光器的使用也带来了一个缺陷：出瞳过小，即人眼只能在特别小的范围禅修察到图象。究其缘由，这是由激光束较小的发散角引发的。
图1.2阐明了光束发散角与出瞳半径的关系。如图1.2(a)所示，RSD系统中的激光束非常“纤细”，致使出瞳半径规格较小；图1.2(b)所示的常规目视系统采用微型平板显示器作为图象源，因为象素发光角度θ2较大，可以产生较大的出瞳。
受此启发，在RSD系统的反射镜与中继系统之间加入光束散射器，可实现出瞳扩充，如图1.2(c)所示，俗称这样的光束散射器为出瞳扩充器。
毛玻璃、衍射光学器件以及微透镜阵列都具有光束发散的功能，因而都可以拿来实现出瞳扩充。以下分别介绍基于准直透镜+微透镜阵列、两个微透镜阵列和毛玻璃的三种出瞳扩充方案，并对它们进行仿真剖析与实验验证。
图1.2(a)RSD系统；(b)基于平板显示器的系统；(c)加入扩瞳器件的RSD系统
准直透镜+微透镜阵列扩瞳
2.1工作原理
图2.1基于单微透镜阵列的扩瞳方案，L1：激光整形透镜；L2：准直透镜；MLA：微透镜阵列；P1：微透镜阵列后焦平面
如图2.1所示透镜成像原理matlab，半导体激光器发出的激光经过整形透镜L1，被高速回落的微反射镜所反射，在透镜L2的表面产生扫描图象。在光路中，扫描光束的半径远大于透镜L2的半径，因而透镜L2对光束主要起偏转作用而聚焦作用微弱。
扫描光束经L2的偏转后，正入射至微透镜阵列。微透镜将光束聚焦于后焦平面P1，同时P1坐落物镜的焦平面位置，经过物镜成像。微透镜的聚焦作用使光束发散，发散光束经过物镜产生一定大小的出瞳。
2.2仿真
使用软件对出瞳平面的亮度分布进行仿真。如图2.2(a)所示，在CAD界面进行系统建模，系统由激光光源、微透镜阵列、目镜以及侦测器组成。其中微透镜和物镜均采用理想光学器件。
设置入射光为波长520nm、束腰半径100μm的高斯光束，微透镜孔径12μm×12μm，焦距24μm，物镜焦距33mm。设置物镜与微透镜阵列的距离为33.024mm，侦测器与物镜的距离为33mm。图2.2(b)为仿真结果，结果表明出瞳平面的亮度呈现点阵分布，边沿区域亮度有较为显著的增长。
图2.2单微透镜阵列系统仿真，(a)系统模型图；(b)出瞳平面亮度分布
2.3实验
图2.3所示为实验所用激光投影系统，激光器、整形透镜和MEMS扫描反射镜都封装在金属壳内。平板提供图象源讯号，电路板驱动激光器以及扫描镜同步工作。系统采用520nm半导体激光器，最大功率为80mW；MEMS扫描反射镜可以实现35°×25°的激光扫描角度，扫描帧率为1024×600，分辨率达到50Hz。
图2.3激光投影系统
图2.4(a)所示为实验所用的微透镜阵列。微透镜阵列为PMMA材质，生长于PMMA基底的右边；微透镜采用圆形密接排列，规格为12μm×12μm，数值孔径高达0.25。圆形微透镜数值孔径是依据微透镜的有效焦距与圆形孔径的对角线规格而定义的。图2.4(b)一侧为实验所用的物镜，具有33mm焦距和40°视场角，眼点距达25mm。两侧为光路所用的非球面准直透镜，焦距49mm，半径60mm。
图2.4实验所用光学元件，(a)微透镜阵列；(b)物镜和准直透镜
如图2.5所示，搭建单微透镜阵列的实验光路。照亮激光投影系统，在实验光路的出瞳区域内使用单反进行拍摄，得到图2.6(a)所示的显示疗效。所拍摄图象的边沿存在一定的模糊透镜成像原理matlab，这是光束在微透镜阵列与前后两个透镜之间的多次反射而产生的鬼像，微透镜阵列表面没有增透膜系，反射率较高，致使鬼像较为显著。
在出瞳平面处放置一块毛玻璃，使用单反在毛玻璃后拍摄，得到如图2.6(b)所示的出瞳图样。出瞳半径的理论估算值约为16.5mm，实验所得结果达到了预期。对出瞳亮度进行量化处理，在中提取水平方向对角线的光强数据，得到如图2.7所示的亮度曲线，结果表明，出瞳亮度呈现中心强，边沿弱的分布趋势。
图2.5单微透镜阵列实验光路，1：激光投影系统；2：准直透镜；3A：单微透镜阵列；4：物镜
图2.6实验结果，(a)将单反放在出瞳区域所拍摄的图象；(b)出瞳平面亮度分布
图2.7一维出瞳亮度曲线
两个微透镜阵列扩瞳
3.1工作原理
如图3.1所示，基于双微透镜阵列的系统结构与前一方案大体相同，区别在于，除去了准直透镜L2，在P1平面处加入另外一个微透镜阵列。两个微透镜阵列MLA1和MLA2参数相同，两者的距离为微透镜的焦距f。
两个微透镜阵列对扫描的激光束有“自动准直”功能，微透镜阵列以后的光锥手动变为水平，图3.2所示的几何光路可以说明这一现象的诱因。
图中棕线代表正入射光束，蓝线代表斜入射光束。微透镜1坐落微透镜2的焦平面上，因而其上某一点发出的“棕色光线”和“蓝色光线”经过微透镜2后相互平行，所以整体来看，斜入射的光束也会产生平行的光锥，只是光锥的位置会有所偏斜。
图3.1基于双微透镜阵列的扩瞳方案
图3.2双微透镜的几何光学特点，(a)平行水平光束入射；(b)平行斜光束入射
3.2仿真
使用对出瞳平面的亮度分布进行仿真。如图3.3(a)所示，在CAD界面进行系统建模，系统由激光光源、微透镜阵列、目镜以及侦测器组成。器件参数设置与上一方案相同，仅略微改动器件设置：设置两个微透镜阵列的宽度为0.024mm，物镜与阵列2的距离为33mm，侦测器与物镜的距离为33mm。
图3.3(b)为仿真结果，与前一方案相比，亮度分布愈发均匀，并且在周边区域存在点阵的“分裂”现象，缘由在于：因为衍射效应，在MLA2的表面，光束不会凝聚为理想的几何点，而是一个弥散斑。弥散斑扩散到相邻的微透镜，这一杂讯造成了杂光的出现，表现为点阵分裂。
图3.3双微透镜阵列仿真，(a)系统模型图；(b)出瞳平面亮度分布
3.3实验
如图3.4所示，搭建双微透镜阵列的实验光路。照亮激光投影系统，在实验光路的出瞳区域内使用单反进行拍摄，得到图3.5(a)所示的显示疗效。与前一方案（图2.6(a)）相比，图象的色温有所增长，缘由在于实验所用微透镜阵列为PMMA材质，表面没有增透膜系，采用两个微透镜阵列会使图象色温有所增长。
对比发觉图象的清晰度也有所增长，缘由在于，因为实验条件的限制，无法精确控制两个微透镜阵列的相对位置，它们的错位造成了图象边沿模糊，像质增长。在出瞳平面处放置一块毛玻璃，使用单反在毛玻璃后拍摄，得到如图1.12(b)所示的出瞳图样。出瞳半径的理论估算值约为16.5mm，实验所得结果这达到了预期。
与上一方案（图2.6(b)）相比，所得出瞳区域面积更大，但是亮度分布更为“饱满”，即，边沿亮度分布增长平缓，整体上亮度分布愈发均匀，因而在出瞳特点上表现优于单微透镜阵列方案。对出瞳亮度进行量化处理，在中提取水平方向对角线的光强数据，得到如图3.6所示的亮度曲线，对比图2.7可知两者的轴上亮度分布基本相同。
图3.4双微透镜阵列实验光路
图3.5实验结果，(a)将单反放在出瞳区域所拍摄的图象；(b)出瞳平面亮度分布
图3.6一维出瞳亮度曲线
毛玻璃扩瞳
4.1工作原理
毛玻璃的随机折射可以发散光束，因而将图3.1中的两个微透镜阵列用毛玻璃替换也可以实现出瞳扩充，光路结构如图4.1所示。
图4.1基于毛玻璃的扩瞳方案
4.2仿真
使用对出瞳平面的亮度分布进行仿真。如图4.2(a)所示，在CAD界面进行系统建模，系统由激光光源、毛玻璃、目镜以及侦测器组成。因为仿真运算量的限制，设置毛玻璃对光束的发散角为15°×15°，大于实际值。
其他器件参数设置与上一方案相同。设置物镜与毛玻璃的距离为33mm，侦测器与毛玻璃的距离为33mm。图4.2(b)为仿真结果，出瞳平面呈现均匀的散斑分布，这是相干光源与随机散射器相作用的必然结果。
图4.2毛玻璃出瞳扩充仿真，(a)系统模型图；(b)出瞳平面亮度分布
4.3实验
如图4.3所示，搭建毛玻璃扩瞳的实验光路。照亮激光投影系统，在实验光路的出瞳区域内使用单反进行拍摄，得到图4.4(a)所示的显示疗效。与前两个方案相比，图象的色温显著增长，这是因为毛玻璃的随机偏折，将部份图象源的光发散至光路以外，并将部份环境光发散至光路以内。
据悉像质也有所增长，所得图象具有较为显著的散斑。在出瞳平面处放置一块毛玻璃，使用单反在毛玻璃后拍摄，得到如图4.4(b)所示的出瞳图样。因为毛玻璃对光束的偏折能力较强，实现了较大的光束发散角，因而具有更大的出瞳区域。对出瞳亮度进行量化处理，在中提取水平方向对角线的光强数据，得到如图4.5所示的亮度曲线，亮度线型接近高斯分布，符合随机散射器的散射特点。
图4.3毛玻璃出瞳扩充实验光路（3C为毛玻璃）
图4.4实验结果，(a)将单反放在出瞳区域所拍摄的图象；(b)出瞳平面亮度分布
图4.5一维出瞳亮度曲线
总结
对比三种扩瞳方案可以发觉，基于微透镜阵列的两种方案相对于毛玻璃的扩瞳方案具有显著的优势：更高的能量借助率，更好的像质以及更好的出瞳均匀性。就两种基于微透镜阵列的方案而言，使用两个微透镜阵列的扩瞳疗效更佳。文献[1]采用紧凑的离轴光路对三种扩瞳方案进行验证和剖析，在此列举以供感兴趣的读者阅览：
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参考文献
[1]HanJian,fúDewen,Wang.with-array-basedexitpupil[C].Proc.ofSPIE-andand,2018,:1-7.
