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光设内参·浅谈增强现实AR近眼显示光波导技术

2020-6-1 21:02| 发布者: Allen

摘要: 实现大视场、全彩色以及高成像均匀性是限制衍射波导发展的关键因素,也是各大公司在极力解决的问题,对于利用光波导技术做出一款理想的AR眼镜,实际上依旧是任重道远,还需要进一步的科研攻关。 ...

增强现实(AR)技术作为下一代显示技术,近年来发展迅速、备受关注。近眼显示系统是增强现实设备的重要组成部分,它可以将虚拟的图像信息叠加到外部的真实环境中,使观察者既能沉浸在现实世界中又能接受到AR设备提供的信息,在导航、教育、娱乐、军事和生物医学等领域有着广泛应用。


现有的近眼显示系统包括自由曲面棱镜系统、投影光学系统、视网膜扫描系统、反射光学系统、混合折反射系统和光波导等。在这些方法中,光波导因其轻便紧凑、类似眼镜的形状具有可佩戴性和便携性,被认为是最有前景的首选设计方法。


一、分类

一般来说,波导显示系统由微显示器模块、准直模块和波导光学模块组成,在波导内集成了一个输入耦合器和一个输出耦合器。根据耦合器工作原理的不同,波导技术可分为几何波导和衍射波导。


几何光波导即所谓的阵列光波导,通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和眼瞳的扩展。以色列公司Lumus利用反射镜作为入耦合器,部分反射镜阵列作为出耦合器,反射镜阵列采用多层反射膜涂层,需要进行精确粘接。



衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Gratings)和基于全息干涉技术制造的体全息光栅波导(Volume Holographic Gratings)。


其工作原理是相似的,区别在于耦合端光栅是采用SRGs还是VHGs。其基本工作原理如图(2)所示,微显示器发出的光经投影光学系统准直后由入耦合端将光线耦合进入波导,在波导内全反射传播到出耦合端,最后衍射进入人眼。



a)表面浮雕光栅波导采用亚波长光栅设计,结构为微纳米量级,需要用到物理光学的仿真工具,同时又要结合几何光学仿真工具进行光线追踪。表面浮雕光栅的制备过程通常先是通过传统半导体的微纳米加工工艺,在材料基底上通过电子束曝光和离子刻蚀技术制成光栅的压印模具,这个模具可以通过纳米压印技术压印出成千上万个光栅。 微软的HoloLens及Magic Leap One均属表面浮雕光栅波导。

b)体全息光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅,通过两束激光对全息材料进行干涉曝光,对曝光时间和曝光量有严格要求。虽然名字里带有全息二字,但其实全息波导并不会直接在用户周围产生全息影像,它指的是透镜内部的光学元件本身就能产生纳米级全息图。Sony、BAE公司及苹果收购的Akonia公司光波导均采用体全息光栅。




二、制约因素

对于光波导显示技术,大视场、大出瞳以及良好的图像均匀性是限制其发展的关键因素。视场决定了用户观察到的图像视野范围,大的出瞳可以在两个维度方向上增大头部的活动范围。由于光在出耦合端反复衍射,部分光会衍射出波导,沿着出瞳方向光的能量逐渐降低,视野范围内的图像亮度变暗,对于大视场来说,边缘视场因为能量过低甚至观察不到图像。


如何在既能扩大视场、扩大出瞳的前提下,又能保证高的图像均匀性,一直是研究的热点问题。


三、跟进办法

扩大光波导视场角的一个重要方法是提高材料折射率,德国肖特公司最近开发了一款突破性的高折射率SCHOTT RealView光学圆晶,其玻璃折射率高达2.0,能将AR设备的FOV扩大两倍并大幅提高成像质量,为AR应用创新带来无限可能。肖特公司针对光波导AR眼镜研发的玻璃晶圆,能够让原本局限在30多度的FOV扩大两倍甚至更高。


对于实现大出瞳,可以在入耦合和出耦合端之间加入扩展光栅,对波导内的光进行重定向,使其沿着一个维度方向进行扩展,再通过出耦合端光栅,实现两个维度方向上的光瞳扩展。图(5)所示原理实现了水平和垂直方向的二维扩瞳。


图(4)肖特公司SCHOTT RealView 概念波导


图(5)水平和垂直方向二维扩展


在光波导技术中,几何光波导是基于传统光学的设计理念和制造工艺,其工艺非常繁冗,导致最终夺得良品率堪忧,市面上还没有出现几何光波导消费级别的AR眼镜产品。


随着微纳加工技术及材料性能的提升,衍射光波导发展潜力巨大,微软公司的HoloLens II能够实现二维扩瞳,视场角高达52°。HoloLens II的出现证明了主流的表面浮雕光栅具备消费级别,并可实现量产性。


体全息光波导对材料及曝光条件要求严格,在制造全息波导前,需要经过精确的模拟计算,曝光过程中所使用的激光光强、带宽、相干性,以及材料、曝光环境这些都要经过无数次光学实验来获得最优方案。对于衍射光波导来说,表面浮雕光栅光波导是目前AR眼镜走向消费级视场最具竞争力的方案。


四、小结

最后,实现大视场、全彩色以及高成像均匀性是限制衍射波导发展的关键因素,也是各大公司在极力解决的问题,对于利用光波导技术做出一款理想的AR眼镜,实际上依旧是任重道远,还需要进一步的科研攻关。


来源:耐德佳AR


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