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亚博-揭秘光波导核心原理,了解AR眼镜背后的挑战(上)

时间:2019-06-12 10:23

光波导,因其轻浮和外界光线的高穿透特征而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,又因其价钱高和手艺门坎高让人望而生畏。跟着主流AR装备微软HoloLens2、Magic Leap One等对光波导手艺的采取和装备量产,和AR光学模组厂商DigiLens、耐德佳、灵犀微光等近期融资动静的频仍表露,致使光波导的会商热度也延续增添了很多。

那末,光波导的工作道理是如何的?市道上各色各样的阵列光波导、几何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有甚么分歧?它又是若何一步步改变AR眼镜市场款式的?

1、光波导,一个应AR眼镜需求而生的光学方案

加强实际(AR)与虚拟实际(VR)是最近几年来广受存眷的科技范畴,它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素, 经由过程一系列光学成像元件构成远处的虚像并投射到人眼中。

分歧的地方在在,AR眼镜需要透视(see-through),既要看到真实的外部世界,也要看到虚拟信息,所以成像系统不克不及挡在视野前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(optical combiner),经由过程“层叠”的情势, 将虚拟信息和真实场景融为一体,相互弥补,相互“加强”。

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图 1. (a) 虚拟实际(VR)近眼显示系统的示意图; (b) 加强实际(AR)近眼显示系统的示意图。

NED:近眼显示(Near-eye display,简称NED)

AR装备的光学显示系统凡是由微型显示屏和光学元件构成。归纳综合来讲,今朝市场上的AR眼镜采取的显示系统就是各类微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合,此中光学组合器的分歧,是辨别AR显示系统的要害部门。

微型显示屏,用来为装备供给显示内容。它可所以自觉光的有源器件,好比发光二极管面板像micro-OLED和此刻很热点的micro-LED,也能够是需要外部光源照明的液晶显示屏(包罗透射式的LCD和反射式的LCOS),还基在微电机系统(MEMS)手艺的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的焦点)和激光束扫描仪(LBS)。

这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产物举例:

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由于本文首要论述光波导的工作道理和特点,对其它光学方案不做具体介绍,关在几种方案的区分,之前也有较多文章进行了论述。很明显,完善的光学方案还没有呈现,才有今朝市场上百家争鸣、百花齐放的状况,这需要AR眼镜的产物设计者根据利用场景、产物定位等来做衡量弃取。我们认为,光波导方案从光学结果、外不雅形态,和量产前景来讲,都具有最好的成长潜力,可能会是让AR眼镜走向消费级的不贰之选。

2、光波导是若何工作的

在上述光学成像元件中,光波导手艺是应AR眼镜需求而生的一个比力有特点的光学组件,因它的轻浮与外界光线的高穿透特征而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,而跟着微软Hololens两代产物和Magic Leap One等装备对光波导的采取和量产,关在光波导的会商热度也在延续增添。

其实,波导手艺其实不是甚么新发现,我们熟习的光通讯系统中,用来传输旌旗灯号的光纤构成了无数条毗连年夜洋彼岸的海底光缆,就是波导的一种,只不外传输的是我们看不见的红外波段的光。

在AR眼镜中,要想光在传输的进程中无损掉无泄露,“全反射”是要害,即光在波导中像只游蛇一样经由过程往返反射进步而其实不会透射出来。简单来讲到达全反射需要知足两个前提:(1) 传输介质即波导材料需要具有比四周介质高的折射率(如图2所示n1> n2); (2) 光进入波导的入射角需要年夜在临界角θc.

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图 2. 全反射道理示意图

光机完成成像进程后,波导将光耦合进本身的玻璃基底中,经由过程“全反射”道理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个进程中波导只负责传输图象,一般环境下不合错误图象自己做任何“功”(好比放年夜缩小等),可以理解为“平行光进,平行光出”,所以它是自力在成像系统而存在的一个零丁元件。

光波导的这类特征,对优化头戴的设计和美化外不雅有很年夜优势。由于有了波导这个传输渠道,可以将显示屏和成像系统阔别眼镜移到额头顶部或侧面,这极年夜下降了光学系统对外界视野的反对,而且使得重量散布更合适人体工程学,从而改良了装备的佩带体验。

这里将波导手艺的首要长处和不足枚举以下,但愿读者浏览完本文后会对背后的启事加倍领会。

长处

    增年夜动眼框规模从而顺应更多人群,改良机械容差,鞭策消费级产物实现 – 经由过程一维和二维扩瞳手艺增年夜动眼框。

    成像系统旁置,不反对视野而且改良配重散布 – 波导镜片像光缆一样将图象传输到人眼。

    外不雅形态更像传统眼镜,利在设计迭代 – 波导形态通常为平整轻浮的玻璃片,其轮廓可以切割。

    供给了“真”三维图象的可能性 – 多层波导片可以堆叠在一路,每层供给一个虚像距离。

    不足

      光学效力相对较低 – 光在耦合进出波导和传输的进程中城市有损掉,而且年夜的动眼框使得单点输出亮度下降。

      几何波导: 繁冗的制造工艺流程致使整体良率较低。

      衍射波导: 衍射色散致使图象有“彩虹”现象和光晕,非传统几何光学,设计门坎较高。

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      图 3. 基在波导的AR眼镜外不雅道理示意图

      3、光波导的分歧分类

      如文章第二部门所提,波导布局的根本是轻浮透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别),光经由过程在玻璃上下概况之间往返“全反射”进步。

      假如我们基在全反射的前提做一个计较,会发现只有一部门角度的入射光可以或许在波导中传输,这便决议了AR眼镜终究的视场角(FOV)规模。

      简而言之,越是年夜的视场角,就需要越高折射率的玻璃基底来实现。是以传统玻璃制造商好比康宁(Corning)和肖特(Schott),最近几年来都在为近眼显示市场研制专门的高折射率而且轻浮的玻璃基底,还在尽力不竭增年夜晶元尺寸以下降波导出产的单元本钱。

      有了高折射率玻璃基底,区分波导类型就首要在在光进出波导的耦合布局了。光波导整体上可以分为几何光波导(Geometric Waveguide)和衍射光波导(Diffractive Waveguide)两种,几何光波导就是所谓的阵列光波导,其经由过程阵列反射镜堆叠实现图象的输出和动眼框的扩年夜,代表光学公司是以色列的Lumus,今朝市场上还未呈现年夜范围的量产眼镜产物。

      衍射光波导首要有益用光刻手艺制造的概况浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基在全息干与手艺制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating), HoloLens 2,Magic Leap One均属在前者,全息体光栅光波导则是利用全息体光栅元件取代浮雕光栅,苹果公司收购的Akonia公司采取的即是全息体光栅,别的致力在这个标的目的的还Digilens。这个手艺还在成长中,色采表示比力好,但今朝对FOV的限制也比力年夜。

      这里还要区分一下真实的“全息手艺”,其实这一向是个误区,全息光栅只是由于操纵了近似在全息拍照的道理来制造的,即用两束激光构成干与条纹来调制光栅材料的特征以构成“折射率周期”,光栅自己其实不可以或许全息成像。

      4、几何光波导的工作道理和优错误谬误

      限在文章篇幅的缘由,今上帝要阐发几何波导的工作道理和优错误谬误,下一篇再重点阐发衍射波导。

      揭秘光波导核心原理,了解AR眼镜背后的挑战(上)

      图 4. 光波导的种类: (a) 几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的道理示意图, (b) 衍射式光波导和概况浮雕光栅的道理示意图, (c) 衍射式光波导和全息体光栅的道理示意图。

      “几何光波导”的概念最早由以色列公司Lumus提出并一向致力在优化迭代,至今差不多快二十年了。按图4(a)所示,耦合光进入波导的通常为一个反射面或棱镜。在多轮全反射后光达到眼镜前方时,会碰到一个“半透半反”镜面阵列,这就是耦合光出波导的布局了,也就是几何光波导里的“光组合器”。

      “半透半反”(切当说是“部门透部门反”)的镜面是嵌入到玻璃基底里面而且与传输光线构成一个特定角度的概况,每个镜面会将部门光线反射出波导进入人眼,剩下的光线透射曩昔继续在波导中进步。然后这部门进步的光又碰到另外一个“半透半反”镜面,从而反复上面的“反射-透射”进程,直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全数光反射出波导进入人眼。

      在传统光学成像系统中,图象凡是只有一个“出口”,叫做出瞳。这里的“半透半反”镜面阵列相当在将出瞳沿程度标的目的复制了多份,每个出瞳都输出不异的图象,如许眼睛在横向移动时都能看到图象,这就是一维扩瞳手艺(1D EPE)。

      具体申明,假定进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束,因为波导只负责传输而其实不把图象放年夜缩小等,那末“出瞳”的也是4毫米的光束,在这类环境下人眼的瞳孔中间只能在这4毫米的规模内移动而且仍能看到图象。

      如许的问题是,分歧性别和春秋的人双眼瞳孔间距可能从51毫米到77毫米不等,假如近眼显示系统的光学中间根据瞳距的平均值(63.5毫米)位置来设计,这就意味着有很年夜一部门人戴上这个眼镜看不到清楚的图象或完全领受不到图象。

      有了这个扩瞳手艺,动眼框规模凡是能从最初的4毫米摆布扩年夜到10毫米以上。你可能会发生疑问,多个出瞳,如许眼睛不会看到重影么?安心吧,出瞳面只是图象的“傅里叶面”,人眼瞳孔会从这个面截取完全的图象信息并用自带的“透镜”晶状体味将出瞳面透射到真实的“像面”(视网膜)上,因此统一角度的光仍是会会聚到统一个像素(视觉细胞),不会呈现重影。

      可能有点难理解,但这是扩瞳手艺可行的精华。动眼框的扩年夜解决了产物设计中的良多问题,例如机械设计容差、产物规格数量(需不需要分男版和女版)、用户交互体验等,将AR眼镜向消费级产物的实现年夜年夜鞭策了一步。

      可是全国没有免费的晚饭,复制出瞳致使总的出光面积增年夜,天然而然在每个出瞳的位置看到的通光量就减小了,这也是引发波导手艺光效力比传统光学系统偏低的缘由之一。

      几何光波导应用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程,没有牵扯到任何微纳米级布局。是以图象质量包罗色彩和对照度可以到达很高的水准。

      可是,工艺流程比力繁冗,此中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。因为光在传布进程中会愈来愈少,那末亚博阵列中这五六个镜面的每个都需要分歧的反射透射比(R/T),以包管全部动眼框规模内的出光量是平均的。

      而且因为几何波导传布的光凡是是偏振的(来历在LCOS微型显示屏的工作道理),致使每一个镜面的镀膜层数可能到达十几乃至几十层。别的,这些镜面是镀膜后层层摞在一路并用非凡的胶水粘合,然后依照一个角度切割出波导的外形,这个进程中镜面之间的平行度和切割的角度城市影响到成像质量。

      是以,即便每步工艺都可以到达高良率,这几十步连系起来的总良率倒是一个挑战。每步工艺的掉败都可能致使成像呈现瑕疵,常见的有布景黑色条纹、出亮光度不平均、鬼影等。

      别的,固然跟着工艺的优化镜面阵列已几近做到“不成见”,但在关失落光机的环境下依然可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列),可能会遮挡一部门外部视野,也影响了AR眼镜的美不雅。

      作者介绍:李琨,浙江年夜学光电系本科卒业,美国加州伯克利年夜学电子工程系博士卒业,首要研究标的目的包罗光学成像系统、光电子器件、半导体激光器和纳米手艺等。现就职位在美国旧金山湾区的Rokid R-lab,担负光学研究科学家和多个项目负责人。

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