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一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术——光波导(下)

2019-07-19 10:39 出处: 人气: 评论(0
【智能穿戴网】

在上一篇文章中我们引见了光波导的观点及与其他AR眼镜光学计划的比较,然后重点剖析了多少光波导 (Geometric Waveguide) 的事情道理。

这篇文章,我们重点剖析下光波导的另一个类群 – 衍射光波导 (Diffractive Waveguide), AR眼镜想要具有平常眼镜的外表,真正走向消耗市场,衍射光波导,细致说外表浮雕光栅计划是如今的不贰之选。

如今诸如微软Hololens一代和二代、Magic Leap One等多家明星产物,运用并用消耗级产物证明了衍射光波导的可量产性,Rokid最新宣布的Rokid Vision AR眼镜也是采纳双目衍射光波导的计划。制造衍射光波导所,须要精度和速率都牢靠的电子束暴光和纳米压印的仪器都价格不菲,而且须要安排在专业的超净间里,有前提竖立该产线的厂商寥寥可数。

下面,就让我们经由历程这篇文章,了解下关于AR眼镜而言,神奇又重要的衍射光波导手艺。

图 1. 光波导的品种:

(a) 多少式光波导和“半透半反”镜面阵列的道理示意图,

(b) 衍射式光波导和外表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。

本文中我们将偏重解说衍射光波导的事情道理,与多少光波导比拟的优缺点,以及衍射光波导运用的两种主流光栅 – “外表浮雕光栅(SRG)”和”全息体光栅(VHG)”。

衍射光波导的中心 – 衍射光栅

要想光机发作的虚像被光波导通报到人眼,须要有一个光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波导的历程,在多少光波导里这两个历程都是由传统光学元器件比方棱镜、“半透半反”镜面阵列完成的,历程简朴易懂,然则具有体积和量产工艺上的应战。在衍射光波导里,传统的光学构造被平面的衍射光栅(Diffractive Grating)庖代,它的发作和盛行得益于光学元件从毫米级别到微纳米级别,从“平面”转向“平面”的手艺进步趋向。

那末衍射光栅是什么呢?简朴来说,它是一个具有周期构造的光学元件,这个周期可所以材料外表浮雕出来的岑岭和低谷 (图1b),也可所以全息手艺在材料内部暴光构成的“明暗过问条纹”(图1c),但归根结柢都是在材估中引起了一个折射率n (refractive index)的周期性变化。

这个周期平常是微纳米级别的,与可见光波长(~450-700nm)一个量级,才对光芒发作有用的操控。

衍射光栅的“分光”表如今两个维度,如图2中所示,假定入射光是单一波长的绿光,它会被衍射光栅分红若干个衍射级(diffraction order),每一个衍射级沿着差别的方向继承流传下去,包括反射式衍射(R0, R±1, R±2,…)和透射式衍射(T0, T±1, T±2,…)的光芒,每一个衍射级对应的衍射角度(θm, m=±1, ±2, …)由光芒的入射角(θ)和光栅的周期(Λ)决议,经由历程设想光栅的其他参数(材料折射率n、光栅外形、厚度、占空比等)可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效力优化到最高,从而使大部份光在衍射后重要沿这一方向流传。

这就起到了与传统光学器件相似的转变光芒流传方向的作用,然则它所有的操纵又都是在平面上经由历程微纳米构造完成的,所以异常节约空间,自在度也比传统光学器件大很多。

关于光波导而言,这一衍射角度还须要满足玻璃基底里的全反射前提才在波导中流传,这在上一篇中有剖析过。

在将入射光分红差别衍射级的基础上,衍射光栅的另一“分光”维度表如今色散,即对统一光栅周期来说,差别波长的衍射角度(θm)也差别。如图2所示,假定入射光是白光,那末波长越长的光芒衍射角度越大,即图示的衍射角红光(R)>绿光(G)>蓝光(B),这一色散作用在反射衍射和透射衍射中都邑表现出来。

这个征象是否是看上去有点熟习?我想人人小时刻都玩过棱镜,太阳光(白光)经由历程它以后也会被分光成“彩虹”,只不过它的分光道理是光的折射作用而非衍射作用。图2(c)将衍射光栅的分光征象(包括多衍射级和色散作用)与棱镜的分光色散做了直观的对照,可以看到衍射光栅将光分红差别衍射级别的同时,每一个级别又都有色散征象,比分光棱镜要庞杂很多。

图 2. (a) 外表浮雕光栅的部份衍射级和色散示意图,

(b) 全息体光栅的部份衍射级和色散示意图,

(c) 衍射光栅与分光棱镜的对照示意图。

衍射光波导的事情道理

了解了衍射光栅的事情道理以后,我们来看一下它如安在光波导中事情的。

假如我们回想上一篇文章中提到的,在多少光波导中运用“半透半反”镜面阵列可以完成一维扩瞳,假如我们将这个观点转移到衍射光波导里,如图3(a)所示,可以简朴地用入射光栅来将光耦合入波导,然后用出射光栅替代镜面阵列。即像蛇一样在波导内里“游走”的全反射光芒在每次碰到玻璃基底外表的光栅的时刻就有一部份光经由历程衍射释放出来进入眼睛,剩下的一部份光继承在波导中流传直到下一次打到波导外表的光栅上,不难明白一维扩瞳即可以完成了。

然则人们并不满足于在一个方向上(即沿双眼瞳距的X方向)增大动眼框,既然光栅构造比传统光学器件可以在更大的自在度上操控光的特征,那末我们何不在另一个方向上(即沿鼻梁的Y方向)也完成扩瞳呢,如许不只可以使得AR眼镜可以接收更大局限的瞳距,也可以对差别脸型、鼻梁高度的人群更有兼容性。

用衍射光栅完成二维扩瞳的观点十几年前由位于芬兰的Nokia研究中心的科学家Dr. Tapani Levola提出,而且给业内贡献了很多有价值的论文,重要运用的是外表浮雕光栅(SRG)。

厥后这部份IP离别被Microsoft和Vuzix购置或许取得运用执照(license),所以如今的Hololens I和Vuzix Blade用的都是相似的光栅构造和排布。如图3(b)所示,另一个全息体光栅(VHG)的代表光学公司Digilens也是用相似的三地区光栅排布来完成二维扩瞳。可以看到当入射光栅(input grating)将光耦合入波导后,会进入一个转机光栅(fold/turn grating)的地区,这个地区内的光栅沟壑方向与入射光栅呈肯定角度,为了轻易明白我们假定它是45度角,那末它就像一个45度的镜子一样将X方向打来的光反射一下变成沿Y方向流传。

而且在这个转向的历程当中,由于全反射行进的光芒会与转机光栅相遇好几次,每一次都将一部份光转90度,另一部份光继承横向行进,这就完成了相似图3(a)的在X方向的一维扩瞳,只不过扩瞳后的光并没有耦合出波导,而是继承沿Y方向行进进入第三个光栅地区 – 出射光栅 (output grating)。

出射光栅的构造与入射光栅相似,只不过面积要大很多而且光栅沟壑的方向与入射光栅垂直,由于它承担着在Y方向扩瞳的重担,历程与图3(a)相似,只不过它接收的是多个光束而非一个。我们假定单瞳(pupil)的入射光在经由转机光栅后扩大成M x 1个瞳(即一个X方向的一维阵列),那末在经由出射光栅后就被扩大成了一个M x N的二维矩阵,个中N是光芒在出射光栅地区全反射的次数即扩瞳的个数。

用转机光栅完成二维扩瞳是一个比较直观也是如今市面上主流产物如Hololens I, Vuzix Blade, Magic Leap One, Digilens等采用的体式格局,个中三个光栅地区的面积、形状、排布体式格局可以依据眼镜的光学参数要乞降外形设想来天真调治。

别的一种完成二维扩瞳的体式格局是直接运用二维光栅,即光栅在最少两个方向上都有周期,比较直观来说就是单向“沟壑”变成柱状阵列。来自英国的衍射光波导公司WaveOptics就是采纳的这类构造,如图3(c)所示,从入射光栅(地区1)耦合进波导的光直接进入地区3,这个地区的二维柱状阵列可以同时将光芒在X和Y两个方向完成扩束,而且一边流传一边将一部份光耦合出来进入人眼。

可想而知这个二维光栅的设想是异常庞杂的,由于在统筹多个流传方向的耦合效力同时还要均衡每一个出瞳的出光匀称性。

它的优点是只要两个光栅地区,减少了光在流传中的消耗,而且由于没有了转机光栅,出射光栅就可以在有限的玻璃镜片上占有更大的面积,从而增大有用动眼框的局限。

WaveOptics 40度FOV的模组动眼框可以到达19 x 15 mm,是如今市面上的同类产物中最大的。

图 3. 衍射光波导中的扩瞳手艺:

(a) 一维扩瞳,

(b) 运用转机光栅完成的二维扩瞳,

(c) 运用二维光栅完成的二维扩瞳。

衍射光波导的优缺点剖析

衍射光波导手艺与多少光波导比拟重要上风在于光栅在设想和生产上的天真性,不论是运用传统半导体微纳米制造生产工艺的外表浮雕光栅,照样运用全息过问手艺制成的体光栅,都是在玻璃基底平面上加镀一层薄膜然后加工,不须要像多少光波导中的玻璃切片和粘合工艺,可量产性和良率要高很多。

别的,运用转机光栅或许二维光栅可以完成二维扩瞳,使得动眼框在鼻梁方向也能掩盖更多差别脸型的人群,给人体工程学设想和优化用户体验留了更大的容差空间。由于衍射波导在Y方向上也完成了扩瞳,使得光机在Y方向的尺寸也比多少光波导的光机减小了。

在多少光波导中,须要在镜面阵列中的每一个镜面上镀差别R/T比的多层膜,来完成每一个出瞳的出光匀称,须要异常繁杂的多步工艺。而关于衍射光栅来说,只须要转变光栅的设想参数比方占空比、光栅外形等,将终究构造编辑到光刻机、电子束暴光机、或许全息过问的掩膜(mask)里,便可一步“写”到光栅薄膜上,来完成多个出瞳的出光匀称。

但是,衍射光波导手艺也有它的不足,重要来源于衍射元件自身关于角度和颜色的高度选择性,这在图2中有所诠释。

起首须要在多个衍射级别的情况下优化某一个方向上的衍射效力从而下降光在其他衍射方向上的消耗。

拿外表浮雕光栅的入射光栅来说,图3(a)中对称的矩形光栅构造衍射到左侧的光并不会被网络流传到眼睛里,相当于浪费了一半的光。因而平常须要采纳如图1(b)中的倾斜光栅(slanted grating)或许三角形的闪灼光栅(blazed grating),使得往眼睛方向衍射的光耦合效力到达最高。这类倾斜的外表浮雕光栅在生产工艺上比传统矩形光栅请求更高。

然后就是怎样应付色散题目,如图2中提到的,统一个衍射光栅关于差别的波长会对应差别的衍射角度。

由于来自光机的是红绿蓝(RGB)三色,每一个颜色包括差别的波长波段。当它们经由历程入射光栅发作衍射后,如图4(a)所示,假定我们优化的是+1级的衍射光即T+1, 关于差别的波长衍射角θ+1T就会差别,即R>G>B。

由于这个角度的差别,光每完成一次全反射所阅历的旅程长度也会差别,赤色全反射的次数少于绿色,而蓝色全反射次数最多。由于这个差别,图4(a)中的光在终究碰到出射光栅时(请看指向眼镜的箭头),蓝色会被耦合出3次(即出瞳扩成3个),绿色2次,赤色1次,这会致使眼睛移动到动眼框的差别位置看到的RGB颜色比例是不匀称的。

别的,纵然统一颜色的衍射效力也会跟着入射角度的差别而浮动,这就致使在全部视场角(FOV)局限内红绿蓝三色光的散布比例也会差别,即涌现所谓的“彩虹效应”。

为了改良色散题目,可以如图4(b)所示将红绿蓝三色离别耦合到三层波导内里,每一层的衍射光栅都只针对某一个颜色而优化,从而可以改良终究在出瞳位置的颜色匀称性,减小彩虹效应。

然则由于RGB LED每一个颜色内部也不是单一的波长,而是掩盖了一小段波长段,依然会有细微的彩虹效应存在,这是衍射光栅的物理特征致使的,颜色匀称性题目只能经由历程设想不停优化但不能完整消弭。

近来问世的Hololens II 则将LED光源换成了光谱很窄的激光光源,会极大地减小彩虹效应。为了使得眼镜片更轻浮,市面上大部份产物将红绿色(RG)并入一层波导流传。也有勇于探究的厂商运用一些新型光栅设想将RGB三色都并入一层波导,比方波导公司Dispelex,但如今全彩的demo只要30度摆布FOV。

总结一下,衍射这个物理历程自身关于角度和波长的选择性致使了色散题目的存在,重要表现为FOV和动眼框内的颜色不匀称即“彩虹效应”。光栅设想优化历程当中,关于所掩盖颜色波段和入射角(即FOV)局限很难统筹,怎样用一层光栅作用于RGB三色而且能完成最大的FOV是业内面对的应战。

图 4. 衍射光波导中的色散题目:

(a) 单层光波导和光栅会引起出射光的“彩虹效应”,

(b) 多层光波导和光栅提高了出射光的颜色匀称性。

衍射光波导的分类

如今外表浮雕光栅(SRG)占市场上衍射光波导AR眼镜产物的大多数,得益于传统光通信行业中设想和制造的手艺积聚。

它的设想门坎比传统光学要高一些,重要在于衍射光栅由于构造进入微纳米量级,须要用到物理光学的仿真东西,然后光进入波导后的光芒追踪(ray tracing)部份又须要和传统的多少光学仿真东西结合起来。

它的制造历程先是经由历程传统半导体的微纳米加工工艺(Micro/Nano-fabrication),在硅基底上经由历程电子束暴光(Electron Beam Lithography)和离子刻蚀(Ion Beam Etching)制成光栅的压印模具(Master Stamp),这个模具可以经由历程纳米压印手艺(Nanoimprint Lithography)压印出不计其数个光栅。

纳米压印须要先在玻璃基底(即波导片)上匀称涂上一层有机树脂(resin),然后拿压印模具盖下来,历程很像“权利游戏”里古时刻寄信时用的封蜡戳,只不过这里我们须要用紫外线照耀使resin固化,固化后再把“戳”提起来,波导上的衍射光栅就构成啦。

这类resin平常是在可见光波段透明度很高的材料,而且也须要与波导玻璃相似的高折射率指数(index)。外表浮雕光栅已被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等产物的问世证明了加工手艺的高量产性,只不过精度和速率都牢靠的电子束暴光和纳米压印的仪器都价格不菲,而且须要安排在专业的超净间里,致使国内有前提竖立该产线的厂商寥寥可数。

在做全息体光栅(VHG)波导计划的厂家比较少,包括十年前就为美国兵工做AR头盔的Digilens,曾出过单色AR眼镜的Sony,另有由于被苹果收买而变得很神奇的Akonia,另有一些专攻体光栅设想和制造的厂家。

他们所用的材料平常都是自家的配方,基本是感光树脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或许二者夹杂。制造历程也是先将一层有机薄膜涂在玻璃基底上,然后经由历程两个激光光束发作过问条纹对薄膜举行暴光,明暗过问条纹会引起材料差别的暴光特征,致使薄膜内涌现了折射率差(Δn, index contrast),即生成了衍射光栅必备的周期性。

由于体光栅由于遭到可运用材料的限定,可以完成的Δn有限,致使它如今在FOV、光效力、清晰度等方面都还未到达与外表浮雕光栅一致的程度。然则由于它在设想壁垒、工艺难度和制造本钱上都有肯定上风,业内对这个方向的探究从未停歇。

总结

好了,说了这么多,让我们比较下光波导的各个手艺计划来看看终究花落谁家,为了轻易人人横向比较我们总结了一个比较细致的表格。

个中多少光波导基于传统光学的设想理念和制造工艺,而且完成了一维扩瞳。它的龙头老大是以色列公司Lumus,如今demo了55度FOV,成像亮度和质量都异常好。但遗憾的是多少光波导的制造工艺异常繁杂,致使终究的良率堪忧,由于市面上还没有涌现到达消耗级别的AR眼镜产物,它的可量产性照样一个未知数。

衍射光波导得益于微纳米构造和“平面光学”的手艺发展,可以完成二维扩瞳。个中主流的外表浮雕光栅被多家明星公司运用并用消耗级产物证明了它的可量产性,个中Hololens II到达了52度FOV。

别的一种全息体光栅也在平行发展中,假如可以在材料上打破瓶颈以提拔光学参数,将来量产也很有愿望。我们以为,衍射光波导细致说外表浮雕光栅计划是如今AR眼镜走向消耗市场的不贰之选。

然则由于衍射光栅设想门坎高和“彩虹效应”的存在,做出抱负的AR眼镜依然任重道远,须要业内各个产业链的通力合作,Rokid AR团队也努力与人人一同探究AR眼镜这一中心手艺的打破与运用,以期为用户带来真正轻浮便携、体验优异的AR眼镜。

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