极速1分快三规律揭秘光波导核心原理,了解AR眼镜背后的挑战(上) | 雷锋网

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光波导,因其轻薄和外界光线的高穿透底部形态而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,又因其价格高和技术门槛高我能 望而却步。随着主流AR设备微软HoloL极速1分快三规律Ens2、Magic Leap One等对光波导技术的采用和设备量产,以及AR光学模组厂商DigiLens、耐德佳、灵犀微光等近期融资消息的频繁披露,意味 光波导的讨论热度也持续增加了不少。

只能 ,光波导的工作原理是怎样才能的?市面上林林总总的阵列光波导、几何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么不同?它又是怎样才能一步步改变AR眼镜市场格局的?

一、光波导,另另另2个应AR眼镜需求而生的光学方案

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域,它们的近眼显示系极速1分快三规律统极速1分快三规律就有将显示器上的极速1分快三规律像素, 极速1分快三规律通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。

不同之发生于,AR眼镜前要透视(see-through),既要看过真实的内外部世界,也要看过虚拟信息,越来越来越多成像系统只能挡在视线前方。这就前要多加另另另2个或一组光学组合器(optical combiner),通过“层叠”的形式, 将虚拟信息和真实场景融为一体,互相补充,互相“增强”。

 图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼显示系统的示意图; (b) 增强现实(AR)近眼显示系统的示意图。

NED:近眼显示(Near-eye display,简称NED)

AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说,目前市场上的AR眼镜采用的显示系统越来越来越多 各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合,其中光学组合器的不同,是区分AR显示系统的关键每段。

微型显示屏,用来为设备提供显示内容。它还前本来自发光的有源器件,比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED,也还前本来前要内外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的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)。

这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产品举例:

机会本文主要阐述光波导的工作原理和特点,对其它光学方案不做完全介绍,关于几种方案的区别,事先就有较多文章进行了阐述。很显然,完美的光学方案还没否有缘无故跳出,才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的情形,这前要AR眼镜的产品设计者土最好的办法 应用场景、产品定位等来做权衡确定。朋友认为,光波导方案从光学效果、外观底部形态,和量产前景来说,都具备最好的发展潜力,机会会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。

二、光波导是怎样才能工作的

在上述光学成像元件中,光波导技术是应AR眼镜需求而生的另另另2个比较有特色的光学组件,因它的轻薄与外界光线的高穿透底部形态而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产,关于光波导的讨论热度也在持续增加。

觉得,波导技术并就有什么新创造创造发明,朋友熟悉的光通信系统中,用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆,越来越来越多 波导的一种,只不过传输的是朋友看不见的红外波段的光。

在AR眼镜中,要想光在传输的过程中无损失无泄漏,“全反射”是关键,即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而不需要说会透射出来。简单来说达到全反射前要满足另另另2个条件:(1) 传输介质即波导材料前要具备比周边介质高的折射率(如图2所示n1> n2); (2) 光进入波导的入射角前要大于临界角θc.

 

图 2. 全反射原理示意图

光机完成成像过程后,波导将光耦合进买车人的玻璃基底中,通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。你是什么过程中波导只负责传输图像,一般情形下不对图像一种做任何“功”(比如放大缩小等),还前要理解为“平行光进,平行光出”,越来越来越多它是独立于成像系统而发生的另另另2个单独元件。

光波导的你是什么底部形态,对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。机会有了波导你是什么传输渠道,还前要将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部机会侧面,这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡,越来越来越多 使得重量分布更符合人体工程学,从而改善了设备的佩戴体验。

这里将波导技术的主要优点和过低罗列如下,希望读者阅读完本文就有对背后的缘由更加了解。

优点

  • 增大动眼框范围从而适应更多人群,改善机械容差,推动消费级产品实现 – 通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框。

  • 成像系统旁置,不阻挡视线越来越来越多 改善配重分布 –  波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。

  • 外观底部形态更像传统眼镜,有有助于于设计迭代 –  波导底部形态一般是平整轻薄的玻璃片,其轮廓还前要切割。

  • 提供了“真”三维图像的机会性 – 多层波导片还前要堆叠在同時 ,每层提供另另另2个虚像距离。

过低

  • 光学速率相对较低 – 光在耦合进出波导以及传输的过程中就有有损失,越来越来越多 大的动眼框使得单点输出亮度降低。

  • 几何波导: 繁冗的制造工艺流程意味 总体良率较低。

  • 衍射波导: 衍射色散意味 图像有“彩虹”什么的问题和光晕,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、光波导的不同分类

如文章第二每段所提,波导底部形态的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般速率在几毫米或亚毫米级别),光通过在玻璃上下细胞层 之间来回“全反射”前进。

机会朋友基于全反射的条件做另另另2个计算,会发现只能一每段速率的入射光要能在波导中传输,这便决定了AR眼镜最终的视场角(FOV)范围。

简而言之,越是大的视场角,就前要越高折射率的玻璃基底来实现。越来越来越多 传统玻璃制造商比如康宁(Corning)和肖特(Schott),近年来就有为近眼显示市场研制专门的高折射率越来越来越多 轻薄的玻璃基底,还在努力不断增大晶元尺寸以降低波导生产的单位成本。

有了高折射率玻璃基底,区别波导类型就主要在于光进出波导的耦合底部形态了。光波导总体上还前要分为几何光波导(Geometric Waveguide)和衍射光波导(Diffractive Waveguide)一种,几何光波导越来越来越多 所谓的阵列光波导,其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大,代表光学公司是以色列的Lumus,目前市场上还未突然跳出大规模的量产眼镜产品。

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的细胞层 浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating), HoloLens 2,Magic Leap One均属于前者,全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅,苹果4 公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅,另外致力于你是什么方向的还有Digilens。你是什么技术还在发展中,色彩表现比较好,但目前对FOV的限制也比较大。

这里前要区别一下真正的“全息技术”,觉得这突然是个误区,全息光栅越来越来越多 机会利用了类似于于全息照相的原理来制造的,即用两束激光形成干涉条纹来调制光栅材料的底部形态以形成“折射率周期”,光栅一种不需要说要能全息成像。 

四、几何光波导的工作原理及优缺点

限于文章篇幅的意味 ,今天主要分析几何波导的工作原理和优缺点,下一篇再重点分析衍射波导。

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

“几何光波导”的概念最先由以色列公司Lumus提出并突然致力于优化迭代,至今差越来越来越多快二十年了。按图4(a)所示,耦合光进入波导的一般是另另另2个反射面机会棱镜。在多轮全反射后光到达眼镜前方时,会遇到另另另2个“半透半反”镜面阵列,这越来越来越多 耦合光出波导的底部形态了,也越来越来越多 几何光波导里的“光组合器”。

 “半透半反”(确切说是“每段透每段反”)的镜面是嵌入到玻璃基底底下越来越来越多 与传输光线形成另另另2个特定速率的细胞层 ,每另另另2个镜面会将每段光线反射出波导进入人眼,剩下的光线透射过去继续在波导中前进。越来越来越多 这每段前进的光又遇到原本“半透半反”镜面,从而重复底下的“反射-透射”过程,直到镜面阵列里的最后另另另2个镜面将剩下的完全光反射出波导进入人眼。

在传统光学成像系统中,图像通常只另另有另2个“出口”,叫做出瞳。这里的“半透半反”镜面阵列离米 将出瞳沿水平方向复制了多份,每另另另2个出瞳都输出相同的图像,原本眼睛在横向移动时都能看过图像,这越来越来越多 一维扩瞳技术(1D EPE)。

完全说明,假设进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束,机会波导只负责传输而不需要说把图像放大缩小等,只能 “出瞳”的也是4毫米的光束,在你是什么情形下人眼的瞳孔中心只能在这4毫米的范围内移动越来越来越多 仍能看过图像。

原本的什么的问题是,不同性别和年龄的人双眼瞳孔间距机会从51毫米到77毫米不等,机会近眼显示系统的光学中心土最好的办法 瞳距的平均值(63.5毫米)位置来设计,这就意味 有很大一每段人戴上你是什么眼镜看只能清晰的图像或完全接收只能图像。

有了你是什么扩瞳技术,动眼框范围通常能从最初的4毫米左右扩大到10毫米以上。你机会会产生什么的问题,多个出瞳,原本眼睛不需要看过重影么?放心吧,出瞳面越来越来越多 图像的“傅里叶面”,人眼瞳孔会从你是什么面截取完全的图像信息并用自带的“透镜”晶状体会将出瞳面透射到真正的“像面”(视网膜)上,因而同一速率的光还是会汇聚到同另另另2个像素(视觉细胞),不需要突然跳出重影。

机会一阵一阵难理解,但这是扩瞳技术可行的精髓。动眼框的扩大避免了产品设计中的越来越来越多什么的问题,类似于机械设计容差、产品规格数目(需不前要分男版和女版)、用户交互体验等,将AR眼镜向消费级产品的实现大大推动了一步。

越来越来越多 天下只能 免费的晚餐,复制出瞳意味 总的出光面积增大,自然而然在每另另另2个出瞳的位置看过的通光量就减小了,这也是引起波导技术光速率比传统光学系统偏低的意味 之一。

几何光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程,只能 牵扯到任何微纳米级底部形态。越来越来越多 图像质量包括颜色和对比度还前要达到很高的水准。

越来越来越多 ,工艺流程比较繁冗,其中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。机会光在传播过程中会只能 少,只能 阵列中这五三个小镜面的每另另另2个都前要不同的反射透射比(R/T),以保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的。

越来越来越多 机会几何波导传播的光通常是偏振的(来源于LCOS微型显示屏的工作原理),意味 每个镜面的镀膜层数机会达到十几甚至几十层。另外,什么镜面是镀膜后层层摞在同時 并用特殊的胶水粘合,越来越来越多 按照另另另2个速率切割出波导的底部形态,你是什么过程中镜面之间的平行度和切割的速率就有影响到成像质量。

越来越来越多 ,即使每一步工艺都还前要达到高良率,这几十步结合起来的总良率却是另另另2个挑战。每一步工艺的失败都机会意味 成像突然跳出瑕疵,常见的有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。

另外,觉得随着工艺的优化镜面阵列机会几乎做到“不可见”,但在关掉光机的情形下仍然还前要看过镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列),机会会遮挡一每段内外部视线,也影响了AR眼镜的美观。

作者介绍:李琨,浙江大学光电系本科毕业,美国加州伯克利大学电子工程系博士毕业,主要研究方向包括光学成像系统、光电子器件、半导体激光器和纳米技术等。现就职发生美国旧金山湾区的Rokid R-lab,担任光学研究科学家和多个项目负责人。

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