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【威尼斯正版官方网站】揭秘光波导核心原理,了解AR眼镜背后的挑战(上)

作者:威尼斯正版官方网站-威尼斯正规官网 日期:2020-10-17 点击:45993

光波导,因其轻巧和外界光线的高击穿特性而被指出是消费级AR眼镜的必选光学方案,又因其价格低和技术门槛低让人望而却步。随着主流AR设备微软公司HoloLens2、Magic Leap One等对光波导技术的使用和设备量产,以及AR光学模组厂商DigiLens、耐德欠佳、灵犀微光等近期融资消息的频密透露,造成光波导的辩论热度也持续减少了不少。那么,光波导的工作原理是怎样的?市面上林林总总的阵列光波导、几何光波导、散射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么有所不同?它又是如何一步步转变AR眼镜市场格局的?一、光波导,一个不应AR眼镜市场需求而生子的光学方案增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来甚广不受注目的科技领域,它们的将近眼表明系统都是将显示器上的像素, 通过一系列光学光学元件构成远处的虚像并感应到人眼中。不同之处在于,AR眼镜必须投影(see-through),既要看见现实的外部世界,也要看见虚拟世界信息,所以光学系统无法推开在视线前方。

这就必须多特一个或一组光学人组器(optical combiner),通过“层叠”的形式, 将虚拟世界信息和现实场景融为一体,相互补足,相互“强化”。图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼表明系统的示意图; (b) 增强现实(AR)近眼表明系统的示意图。NED:近眼表明(Near-eye display,全称NED)AR设备的光学表明系统一般来说由微型显示屏和光学元件构成。

总结来说,目前市场上的AR眼镜使用的表明系统就是各种微型显示屏和棱镜、权利曲面、BirdBath、光波导等光学元件的人组,其中光学人组器的有所不同,是区分AR表明系统的关键部分。微型显示屏,用来为设备获取表明内容。它可以是自闪烁的有源器件,比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED,也可以是必须外部光源灯光的液晶显示屏(还包括入射式的LCD和反射式的LCOS),还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。

这里做到了一张非常简单的AR光学表明系统的分类和产品举例:因为本文主要阐释光波导的工作原理和特点,对其它光学方案不做到详尽讲解,关于几种方案的区别,之前也有较多文章展开了阐释。很似乎,极致的光学方案还没经常出现,才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的状态,这必须AR眼镜的产品设计者依据应用于场景、产品定位等来做到权衡权衡。

我们指出,光波导方案从光学效果、外观形态,和量产前景来说,都不具备最差的发展潜力,可能会是让AR眼镜南北消费级的不二之中选。二、光波导是如何工作的在上述光学光学元件中,光波导技术是不应AR眼镜市场需求而生子的一个较为有特色的光学组件,因它的轻巧与外界光线的高击穿特性而被指出是消费级AR眼镜的必选光学方案,而随着微软公司Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的使用和量产,关于光波导的辩论热度也在持续减少。

只不过,波导技术并不是什么新发明,我们熟知的光通信系统中,用来传输信号的光纤构成了无数条相连大洋彼岸的海底光缆,就是波导的一种,只不过传输的是我们看不到的红外波段的光。在AR眼镜中,要想要光在传输的过程中无损失无泄漏,“全反射”是关键,即光在波导中像只泛舟蛇一样通过往返光线行进而并会入射出来。非常简单来说超过全反射必须符合两个条件:(1) 传输介质即波导材料必须不具备比周围介质低的折射率(如图2右图n1 n2); (2) 光转入波导的入射角必须小于临界角θc.图 2. 全反射原理示意图光机已完成光学过程后,波导将光耦合入自己的玻璃基底中,通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再行释放出。这个过程中波导只负责管理传输图像,一般情况下不对图像本身做到任何“功”(比如缩放增大等),可以解读为“平行光入,平行光出”,所以它是独立国家于光学系统而不存在的一个分开元件。

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光波导的这种特性,对于优化头戴的设计和美化外观有相当大优势。因为有了波导这个传输渠道,可以将显示屏和光学系统靠近眼镜后移到额头顶部或者侧面,这很大减少了光学系统对外界视线的挡住,并且使得重量产于更加符合人体工程学,从而提高了设备的配戴体验。这里将波导技术的主要优点和严重不足罗列如下,期望读者读者完了本文后会对背后的缘由更为理解。

优点减小动眼框范围从而适应环境更加多人群,提高机械容差,推展消费级产品构建 – 通过一维和二维扩瞳技术减小动眼框。光学系统旁置,不挡住视线并且提高重量产于 – 波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。

外观形态更加像传统眼镜,有利于设计递归 – 波导形态一般是平坦轻巧的玻璃片,其轮廓可以切割成。获取了“真为”三维图像的可能性 – 多层波导片可以填充在一起,每层获取一个虚像距离。

严重不足光学效率比较较低 – 光在耦合出入波导以及传输的过程中都会有损失,并且大的动眼框使得单点输入亮度减少。几何波导: 繁冗的生产工艺流程造成总体良率较低。散射波导: 散射色散造成图像有“彩虹”现象和光晕,非传统几何光学,设计门槛较高。

图 3. 基于波导的AR眼镜外观原理示意图三、光波导的有所不同分类如文章第二部分所托,波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别),光通过在玻璃上下表面之间往返“全反射”行进。如果我们基于全反射的条件做到一个计算出来,不会找到只有一部分角度的入射光需要在波导中传输,这之后要求了AR眼镜最后的视场角(FOV)范围。简而言之,越是大的视场角,就必须越高折射率的玻璃基底来构建。

因此传统玻璃制造商比如康宁(Corning)和肖特(Schott),近年来都在为近眼表明市场研制专门的高折射率并且轻巧的玻璃基底,还在希望大大减小晶元尺寸以减少波导生产的单位成本。有了低折射率玻璃基底,区别波导类型就主要在于光出入波导的耦合结构了。光波导总体上可以分成几何光波导(Geometric Waveguide)和散射光波导(Diffractive Waveguide)两种,几何光波导就是所谓的阵列光波导,其通过阵列反射镜填充构建图像的输入和动眼框的不断扩大,代表光学公司是以色列的Lumus,目前市场上还并未经常出现大规模的量产眼镜产品。

散射光波导主要有利用光刻技术生产的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术生产的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating), HoloLens 2,Magic Leap One皆归属于前者,全息体光栅光波导则是用于全息体光栅元件替换浮雕光栅,苹果公司并购的Akonia公司使用的乃是全息体光栅,另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中,色彩展现出较为好,但目前对FOV的容许也较为大。

这里还要区别一下确实的“全息技术”,只不过这仍然是个误区,全息光栅只是因为利用了类似于全息照相的原理来生产的,即用两束激光构成干预条纹来调制光栅材料的特性以构成“折射率周期”,光栅本身并不需要全息光学。四、几何光波导的工作原理及优缺点仅限于文章篇幅的原因,今天主要分析几何波导的工作原理和优缺点,下一篇再行重点分析散射波导。图 4. 光波导的种类: (a) 几何式光波导和“半透半鼓吹”镜面阵列的原理示意图, (b) 散射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图, (c) 散射式光波导和全息体光栅的原理示意图。

“几何光波导”的概念年所由以色列公司Lumus明确提出并仍然致力于优化递归,至今差不多慢二十年了。按图4(a)右图,耦合光转入波导的一般是一个反射面或者棱镜。在多轮全反射后光抵达眼镜前方时,不会遇上一个“半透半鼓吹”镜面阵列,这就是耦合光出波导的结构了,也就是几何光波导里的“光人组器”。“半透半鼓吹”(清楚说道是“部分浮部分反”)的镜面是映射到玻璃基底里面并且与传输光线构成一个特定角度的表面,每一个镜面不会将部分光线光线出有波导转入人眼,只剩的光线入射过去之后在波导中行进。

然后这部分行进的光又遇上另一个“半透半鼓吹”镜面,从而反复上面的“光线-入射”过程,直到镜面阵列里的最后一个镜面将只剩的全部光反射出有波导转入人眼。在传统光学光学系统中,图像一般来说只有一个“出口”,叫作出瞳。这里的“半透半鼓吹”镜面阵列相等于将出瞳沿水平方向拷贝了多份,每一个出瞳都输入完全相同的图像,这样眼睛在纵向移动时都能看见图像,这就是一维扩瞳技术(1D EPE)。

详尽解释,假设转入波导“进瞳”的是直径4毫米的光束,由于波导只负责管理传输而并不把图像缩放增大等,那么“出瞳”的也是4毫米的光束,在这种情况下人眼的瞳孔中心不能在这4毫米的范围内移动并且仍能看见图像。这样的问题是,有所不同性别和年龄的人双眼瞳孔间距有可能从51毫米到77毫米平均,如果近眼表明系统的光学中心依据瞳距的平均值(63.5毫米)方位来设计,这就意味著有相当大一部分人戴着上这个眼镜看到明晰的图像或几乎接管将近图像。有了这个扩瞳技术,动眼框范围一般来说能从最初的4毫米左右不断扩大到10毫米以上。

你可能会产生疑惑,多个出瞳,这样眼睛会看见重影么?安心吧,出有瞳面只是图像的“傅里叶面”,人眼瞳孔不会从这个面撷取原始的图像信息后用自带的“透镜”晶状体不会将出有瞳面入射到确实的“像面”(视网膜)上,因而同一角度的光还是不会汇集到同一个像素(视觉细胞),会经常出现重影。有可能有点无以解读,但这是扩瞳技术不切实际的精髓。动眼框的不断扩大解决问题了产品设计中的很多问题,例如机械设计容差、产品规格数目(需不需要分男版和女版)、用户交互体验等,将AR眼镜向消费级产品的构建大大推展了一步。但是天下没免费的晚餐,造出瞳造成总的出光面积减小,自然而然在每一个出瞳的方位看见的通光量就增大了,这也是引发波导技术光效率比传统光学系统偏高的原因之一。

几何光波导运用传统几何光学设计理念、建模软件和生产流程,没牵涉到任何微纳米级结构。因此图像质量还包括颜色和对比度可以超过很高的水准。但是,工艺流程较为繁冗,其中一步是“半透半鼓吹”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中不会越来越少,那么阵列中这五六个镜面的每一个都必须有所不同的光线透射比(R/T),以确保整个动眼框范围内的出有光量是均匀分布的。

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并且由于几何波导传播的光一般来说是偏振的(源于LCOS微型显示屏的工作原理),造成每个镜面的镀膜层数有可能超过十几甚至几十层。另外,这些镜面是镀膜后层层摞在一起后用类似的胶水黏合,然后按照一个角度切割成出有波导的形状,这个过程中镜面之间的平行度和切割成的角度都会影响到光学质量。因此,即使每一步工艺都可以超过低良率,这几十步融合一起的总良率毕竟一个挑战。

每一步工艺的告终都有可能造成光学经常出现瑕疵,少见的有背景黑色条纹、出有光亮度不均匀分布、鬼影等。另外,虽然随着工艺的优化镜面阵列早已完全做“不可见”,但在开动光机的情况下依然可以看见镜片上的一排横条纹(即镜面阵列),可能会遮盖一部分外部视线,也影响了AR眼镜的美观。

作者讲解:李琨,浙江大学光电系由本科毕业,美国加州伯克利大学电子工程系博士毕业,主要研究方向还包括光学光学系统、光电子器件、半导体激光器和纳米技术等。现就职坐落于美国旧金山湾区的Rokid R-lab,兼任光学研究科学家和多个项目负责人。

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