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一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术(上)

2019-07-19 10:39 出处: 人气: 评论(0
【智能穿戴网】

光波导,因其轻浮和外界光芒的高穿透特征而被以为是消耗级AR眼镜的必选光学计划,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纳和装备量产,以及AR光学模组厂商DigiLens、耐德佳、灵犀微光等近期融资音讯的频仍表露,致使光波导的议论热度也延续增添了不少。

那末,光波导的事情道理是怎样的?市面上种种各样的阵列光波导、多少光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么差别?它又是怎样一步步转变AR眼镜市场款式的?Rokid R-lab光学研讨科学家、美国加州伯克利大学电子工程系博士李琨为您娓娓道来。

一 光波导,一个应AR眼镜需求而生的光学计划

加强实际(AR)与假造实际(VR)是近年来广受关注的科技领域,它们的近眼显现体系都是将显现器上的像素,经由历程一系列光学成像元件构成远处的虚像并投射到人眼中。

差别之处在于,AR眼镜须要透视(see-through),既要看到实在的外部天下,也要看到假造信息,所以成像体系不能挡在视线火线。这就须要多加一个或一组光学组合器(optical combiner),经由历程“层叠”的情势, 将假造信息和实在场景融为一体,相互补充,相互“加强”。

图 1. (a) 假造实际(VR)近眼显现体系的示意图; (b) 加强实际(AR)近眼显现体系的示意图。

NED:近眼显现(Near-eye display,简称NED)

AR装备的光学显现体系平常由微型显现屏和光学元件构成。归纳综合来讲,如今市场上的AR眼镜采纳的显现体系就是种种微型显现屏和棱镜、自在曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合,个中光学组合器的差别,是辨别AR显现体系的症结部份。

微型显现屏,用来为装备供应显现内容。它可所以自发光的有源器件,比方发光二极管面板像micro-OLED和如今很热点的micro-LED,也可所以须要外部光源照明的液晶显现屏(包含透射式的LCD和反射式的LCOS),另有基于微电机体系(MEMS)手艺的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的中间)和激光束扫描仪(LBS)。

这里做了一张简朴的AR光学显现体系的分类和产物举例:

因为本文重要论述光波导的事情道理和特性,对别的光学计划不做细致引见,关于几种计划的区分,之前也有较多文章进行了论述。很显然,圆满的光学计划还没有涌现,才有如今市场上百花怒放、百花齐放的状况,这须要AR眼镜的产物设想者根据应用场景、产物定位等来做衡量弃取。我们以为,光波导计划从光学结果、外表外形,和量产远景来讲,都具有最好的发展潜力,可以会是让AR眼镜走向消耗级的不贰之选。

二 光波导是怎样事情的

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较有特征的光学组件,因它的轻浮与外界光芒的高穿透特征而被以为是消耗级AR眼镜的必选光学计划,而跟着微软Hololens两代产物以及Magic Leap One等装备对光波导的采纳和量产,关于光波导的议论热度也在延续增添。

实在,波导手艺并不是什么新发明,我们熟习的光通信体系中,用来传输信号的光纤构成了无数条衔接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见的红外波段的光。

在AR眼镜中,要想光在传输的历程当中无丧失无泄漏,“全反射”是症结,即光在波导中像只游蛇一样经由历程往返反射行进而并不会透射出来。简朴来讲抵达全反射须要满足两个前提:(1) 传输介质即波导材料须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须要大于临界角θc.

图 2. 全反射道理示意图

光机完成成像历程后,波导将光耦合进自身的玻璃基底中,经由历程“全反射”道理将光传输到眼睛火线再释放出来。这个历程当中波导只担任传输图象,平常状况下不对图象自身做任何“功”(比方放大减少等),可以明白为“平行光进,平行光出”,所以它是独立于成像体系而存在的一个零丁元件。

光波导的这类特征,关于优化头戴的设想和美化外表有很大上风。因为有了波导这个传输渠道,可以将显现屏和成像体系阔别眼镜移到额头顶部或许正面,这极大下降了光学体系对外界视线的阻挠,而且使得分量散布更相符人体工程学,从而改良了装备的佩带体验。

这里将波导手艺的重要长处和不足排列以下,愿望读者阅读完本文后会对背地的启事越发相识。

长处

增大动眼框局限从而顺应更多人群,改良机器容差,推进消耗级产物完成 – 经由历程一维和二维扩瞳手艺增大动眼框。

成像体系旁置,不阻挠视线而且改良配重散布 –  波导镜片像光缆一样将图象传输到人眼。

外表外形更像传统眼镜,利于设想迭代 –  波导外形平常是平坦轻浮的玻璃片,其外表可以切割。

供应了“真”三维图象的可以性 – 多层波导片可以堆叠在一起,每层供应一个虚像间隔。

不足

光学效力相对较低 – 光在耦合收支波导以及传输的历程当中都邑有丧失,而且大的动眼框使得单点输出亮度下降。

多少波导: 繁杂的制作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”征象和光晕,非传统多少光学,设想门坎较高。

图 3. 基于波导的AR眼镜外表道理示意图

三 光波导的差别分类

如文章第二部份所提,波导构造的基本是轻浮透明的玻璃基底(平常厚度在几毫米或亚毫米级别),光经由历程在玻璃高低外表之间往返“全反射”行进。

假如我们基于全反射的前提做一个盘算,会发明只要一部份角度的入射光可以在波导中传输,这便决议了AR眼镜终究的视场角(FOV)局限。

简而言之,越是大的视场角,就须要越高折射率的玻璃基底来完成。因此传统玻璃制作商比方康宁(Corning)和肖特(Schott),近年来都在为近眼显现市场研制特地的高折射率而且轻浮的玻璃基底,还在勤奋不停增大晶元尺寸以下降波导临盆的单位成本。

有了高折射率玻璃基底,区分波导范例就重要在于光收支波导的耦合构造了。光波导整体上可以分为多少光波导(Geometric Waveguide)和衍射光波导(Diffractive Waveguide)两种,多少光波导就是所谓的阵列光波导,其经由历程阵列反射镜堆叠完成图象的输出和动眼框的扩展,代表光学公司是以色列的Lumus,如今市场上还未涌现大规模的量产眼镜产物。

衍射光波导重要有应用光刻手艺制作的外表浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息过问手艺制作的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating), HoloLens 2,Magic Leap One均属于前者,全息体光栅光波导则是应用全息体光栅元件替代浮雕光栅,苹果公司收买的Akonia公司采纳的就是全息体光栅,别的致力于这个方向的另有Digilens。这个手艺还在发展中,色彩表现比较好,但如今对FOV的限定也比较大。

这里还要区分一下真正的“全息手艺”,实在这一向是个误区,全息光栅只是因为应用了类似于全息照相的道理来制作的,即用两束激光构成过问条纹来调制光栅材料的特征以构成“折射率周期”,光栅自身并不可以全息成像。

四 多少光波导的事情道理及优缺点

限于文章篇幅的缘由,本日重要剖析多少波导的事情道理和优缺点,下一篇再重点剖析衍射波导。

图 4. 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。

“多少光波导”的观点最先由以色列公司Lumus提出并一向致力于优化迭代,至今差不多快二十年了。按图4(a)所示,耦合光进入波导的平常是一个反射面或许棱镜。在多轮全反射后光抵达眼镜火线时,会碰到一个“半透半反”镜面阵列,这就是耦合光出波导的构造了,也就是多少光波导里的“光组合器”。

“半透半反”(确实说是“部份透部份反”)的镜面是嵌入到玻璃基底内里而且与传输光芒构成一个特定角度的外表,每一个镜面会将部份光芒反射出波导进入人眼,剩下的光芒透射过去继承在波导中行进。然后这部份行进的光又碰到另一个“半透半反”镜面,从而反复上面的“反射-透射”历程,直到镜面阵列里的末了一个镜面将剩下的悉数光反射出波导进入人眼。

在传统光学成像体系中,图象平常只要一个“出口”,叫做出瞳。这里的“半透半反”镜面阵列相当于将出瞳沿程度方向复制了多份,每一个出瞳都输出雷同的图象,如许眼睛在横向挪动时都能看到图象,这就是一维扩瞳手艺(1D EPE)。

细致申明,假定进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束,因为波导只担任传输而并不把图象放大减少等,那末“出瞳”的也是4毫米的光束,在这类状况下人眼的瞳孔中间只能在这4毫米的局限内挪动而且仍能看到图象。

如许的题目是,差别性别和岁数的人双眼瞳孔间距可以从51毫米到77毫米不等,假如近眼显现体系的光学中间根据瞳距的平均值(63.5毫米)位置来设想,这就意味着有很大一部份人戴上这个眼镜看不到清楚的图象或完全吸收不到图象。

有了这个扩瞳手艺,动眼框局限平常能从最初的4毫米摆布扩展到10毫米以上。你可以会发生疑问,多个出瞳,如许眼睛不会看到重影么?宁神吧,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正的“像面”(视网膜)上,因此统一角度的光照样会会聚到统一个像素(视觉细胞),不会涌现重影。

可以有点难明白,但这是扩瞳手艺可行的精华。动眼框的扩展处理了产物设想中的许多题目,比方机器设想容差、产物规格数量(需不须要分男版和女版)、用户交互体验等,将AR眼镜向消耗级产物的完成大大推进了一步。

然则天下没有免费的晚饭,复制出瞳致使总的出光面积增大,自然而然在每一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体系偏低的缘由之一。

多少光波导应用传统多少光学设想理念、仿真软件和制作流程,没有牵涉到任何微纳米级构造。因此图象质量包含色彩和对比度可以抵达很高的水准。

然则,工艺流程比较繁杂,个中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。因为光在流传历程当中会越来越少,那末阵列中这五六个镜面的每一个都须要差别的反射透射比(R/T),以保证全部动眼框局限内的出光量是匀称的。

而且因为多少波导流传的光平常是偏振的(来源于LCOS微型显现屏的事情道理),致使每一个镜面的镀膜层数可以抵达十几以至几十层。别的,这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特别的胶水粘合,然后根据一个角度切割出波导的外形,这个历程当中镜面之间的平行度和切割的角度都邑影响到成像质量。

因此,纵然每一步工艺都可以抵达高良率,这几十步结合起来的总良率倒是一个应战。每一步工艺的失利都可以致使成像涌现瑕疵,罕见的有背景黑色条纹、出光亮度不匀称、鬼影等。

别的,虽然跟着工艺的优化镜面阵列已险些做到“不可见”,但在关掉光机的状况下依然可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列),可以会遮挡一部份外部视线,也影响了AR眼镜的雅观。

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