Etude et optimisation d’un système optique de type lunette pour la réalité augmentée

Study and optimization of an optical see-through near to eye display system for augmented reality

• Auteur / Autrice : Jianming Yang
• Direction : Philippe Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 29/03/2018
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Serio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Fontaine, Patrice Twardowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Lépine, Alois Herkommer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lentilles (optique)

Systèmes d'affichage

Réalité augmentée

Mots clés libres

Afficheur

Réalité augmentée

Conception optique

Lentilles diffractives

Near to eye display

Augmented reality

Optical design

Diffractive lenses

Résumé

La thèse porte sur un nouveau concept pour les afficheurs de réalité augmentée placés près de l’œil, notamment pour améliorer les champs de vision. Deux guides d'ondes sont empilés avec un petit espace d'air entre eux. La lumière couplée dans le premier guide d'ondes par le coupleur d’entrée se propage par réflexion interne totale jusqu'à atteindre un miroir cylindrique à l'extrémité du guide. Puis, la lumière réfléchie est couplée dans le second guide d'ondes avant d'atteindre le coupleur de sortie. Un système similaire basé sur des micro-prismes est aussi décrit. Les conceptions ont été simulées avec le logiciel Zemax. Les champs de vision horizontal et vertical obtenus sont respectivement de 30° et 60°. La Fonction de Transfert de Modulation pour tous les champs objets est supérieure à 30% pour 33 npl/mm, ce qui est suffisant pour un système visuel. De plus, un grand volume de déplacement admissible pour l’œil (Eye-box) d'environ 10×8 mm a été obtenu.

We propose a new concept to improve notably the fields-of-view (FOV) of the near to eye displays (NEDs) for augmented reality. Two waveguides are stacked with a small air gap between them. The light coupled in the first waveguide by the in-coupler propagates by total internal reflection until it reaches a cylindrical mirror at the end of the guide. Then, the reflected light is coupled in the second waveguide before to reach the out-coupler. A similar system based on micro-prisms is also described. The designs were simulated with Zemax software. The obtained horizontal and vertical FOV are respectively 30° and 60°. The Modulation Transfer Function for all object fields is greater than 30% for 33 npl/mm, which is sufficient for a visual system. In addition, a large Eye-box of approximately 10 × 8 mm was obtained.