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2024上海医疗器械创新展Medtec探秘AR眼镜—光学元件之 光波导

2024-06-21

光波导显示技术是增强现实(AR)领域最具挑战性、最复杂的难题之一,因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。目前诸如微软 HoloLens 和 Magic Leap One 等多家明星 AR 产品均采用光波导显示技术。

今天2024上海医疗器械创新展Medtec小编就来讲光波导,它是AR近眼显示系统的一个核心器件,那么是什么组成了AR近眼显示系统呢?因为AR和VR是比较相近的,都是属于近眼显示系统如何在离眼睛很近的位置显示图像,通常情况下都是由一系列光学成像的棱镜等一些器件将微型显示屏上的像素投到很远的地方并形成一个虚拟的图像,然后再投到人的眼睛里,人眼看上去就像是真实的物体一样。

与VR系统不同的是,AR显示系统需要透视,在看到虚像的同时要看到外界真实的世界,就多了一个光学组合器,将虚像和外界的光和在一起之后投在眼睛里。目前市面上的AR眼镜基本都是各种不同的微型显示屏和不同形式的光学组合器。在光学组合器里,有带optical power的和不带optical power的,今天所说的光波导就不属于成像系统的一部分,是独立存在的,只负责把像传递到人们眼前,不对像做任何改变。

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1. 光波导工作原理

主要介绍一下光波导是怎样一个工作原理,与其他的AR眼镜光学方案相比有什么优点和不足。光波导主要分为两大类,分别是几何光波导和衍射光波导。

光波导其实就是一个玻璃基底,可以使一定条件打进去的光产生全反射,就能实现我们想要的将光从光机搬运到人眼睛前面的任务。

我们比较熟悉的光通信传导的光纤、海底的光缆等都是用这个原理,传输的介质要满足两个条件,第一个条件就是图中的折射率n,n1要大于n2,第二个条件就是光进入波导的时候入射角需要大于临界角,临界角就是通过n1和n2之间的关系计算出来的。如果满足了这两个条件,光在达到表面穿梭时都会将近百分百地反射回来。在AR眼镜中的光波导基本上说的是玻璃的基底,为了达到更好的效果,一般都是用小于1毫米的基底。

2. 光波导技术优点与缺点

在光波导产生之后,到底为AR眼镜、AR头盔做出什么样的贡献?有什么好处?

1. 主要它是实现了把眼睛周围很庞大的光机搬到旁边去,比如在侧面、额头等,可以不挡住视线,通过光波导这样一个传输的媒介,再把光带到眼睛前面来。

2. 另外一个比较大的优点就是,可以增大动眼眶(戴上眼镜之后,眼睛在系统中心点周围移动多大的x和y的范围仍然能够清晰地看到图像)的范围。因为光波导是动用了扩瞳技术,所以可以增大动眼眶的范围,在做产品时更加容易适应所有的人群。第三个优点就是更加有利于外观的改善。第四个优点就是提供了“真”三维图像的可能性。当然也有一些不足,比如光学效率相对较低,几何光波导来说制造工艺流程比较繁冗复杂,对于衍射波导来说会有一些色散导致的彩虹现象以及色彩不均匀,而且设计门槛要高一些。

下面我们来看一下光波导的分类,第一类就是几何光波导,是纯几何光学的形式,光的入波导和出波导都是通过一些镜面或者棱镜实现的。第二类就是衍射光波导,衍射光波导又分为表面浮雕光栅和全息体光栅,表面浮雕光栅是通过在玻璃的表面刻设一些沟壑来形成不同的n的对比度,全息体光栅就是通过激光干涉条纹在物体内部构成的变化来形成折射差。

3. 几何光波导

几何光波导是怎样工作的呢?首先需要有一个光机,成像之后将像耦合到玻璃镜片里面,只要反射的角度达到全反射的条件,就可以进行全反射继续往下走,会遇到一系列比较特殊的镜面阵列,如下图所示:

在生产制造环节,几何光波导采用的是传统光学冷加工工艺,优势是:光学镀膜、光学切割、纳米研磨、纳米抛光、精雕加工等工艺已经十分成熟,同时光学成像质量高,无偏色情况。

由于几何光波导是通过一系列镜面阵列,在生产和设计达到了百分百匹配的前提下,其成像是无色散的。然后一维扩瞳也解决了不同人群瞳距不同的问题,使得产品能够更加走向消费级。再一个光波导玻璃的厚度也是非常小的,非常轻薄,并且设计也不是很有挑战。它的不足在于很多我们看到的真实产品中,总有一些比如说黑条纹、鬼影、杂光甚至看到一些畸变的现象,主要还是生产没有做到设计想要的程度。根据2024上海医疗器械创新展Medtec了解目前市面上还没有一个产品达到足够的量来证明几何光波导的量产性,所以在进行方案选择的时候这是几何光波导最令人堪忧的地方。

4. 衍射光波导

衍射光波导的光栅是微纳米结构,其中表面浮雕光栅采用半导体蚀刻、纳米压印等技术;体全息光栅采用基于特定材料的激光束干涉曝光。因为后者在材料上存在诸多限制,导致目前业内更多使用表面浮雕技术路线。其优点是可通过灵活的纳米结构,实现光路设计,其结构特征比较容易实现二维扩瞳。而难点在于,光栅结构设计复杂,更考验对光学设计能力,不同颜色光波长不同,通过光栅后衍射导致彩虹效应、色散和漏光问题亟待解决,同时光栅结构导致其能效较低。

衍射光波导的核心,就是一个衍射光栅,衍射光栅简单来说就是一个具有周期结构的光学元件,周期可以表现为下图中左边那种形式, 可以是光波导表面做一层凹凸不平的沟壑,也可以是中间这种形式,光波导表面涂一层材料,用材料内部化学物理性质的变化来引起周期,周期主要是指折射率的周期。在表面浮雕光栅里体现为材料和空气之间的周期性变化,在全息体光栅中Δn是由于自身材料受干涉条纹光照程度的不同引起的n的变化情况。

这个图上面是衍射光栅,下面是普通的分光棱镜,分光棱镜是通过折射来分光的,上面是通过衍射来分光的,不同之处在于除了把颜色分开之后衍射光栅还把光分成了不同的级,在每一个级里面还分了不同的颜色,所以可以看到多个彩虹,而分光棱镜只看到了一束彩虹。后面可以看到由于分光的特征它有一些优点,但同时也带来了一些限制。

衍射光波导有一个很大的优点,就是可以实现二维扩瞳并且设计上有很大的自由度,没有几何光波导那么复杂的工艺。衍射光波导中一个比较大的缺点就是它的色散问题,会导致动眼眶内颜色不均匀。针对这个问题,业内主流的解决办法就是用多层的光波导,但是也不能完全解决。另外一个问题就是彩虹效应,这主要是由于衍射光栅对于不同的入射角度衍射效率不同。综合这两个,就是衍射光波导中的色散问题。

文章来源:灵境幻视 AR
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