青岛理工大学临沂校区-揭秘光波导核心原理 了解AR眼镜背后的挑战

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2019-07-13 12:48
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微型显示屏,用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件,比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的...

光波导,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。随着主流AR设备微软HoloLens2、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,导致光波导的讨论热度也持续增加了不少。

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、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么不同?它又是如何一步步改变AR眼镜市场格局的?Rokid R-lab光学研究科学家、美国加州伯克利大学电子工程系博士李琨为您娓娓道来。

光波导 

一个应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,它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素, 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。

不同之处在于,AR眼镜需要透视(see-through),既要看到真实的外部世界,也要看到虚拟信息,所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一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”。 

(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就是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显示系统的关键部分。

微型显示屏,用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件,比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED,也可以是需要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:

因为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详细介绍,关于几种方案的区别,之前也有较多文章进行了阐述。很显然,完美的光学方案还没有出现,才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的状态,这需要AR眼镜的产品设计者依据应用场景、产品定位等来做权衡取舍。我们认为,光波导方案从光学效果、外观形态,和量产前景来说,都具备最好的发展潜力,可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。

光波导是如何工作的? 

在上述光学成像元件中,光波导技术是应AR眼镜需求而生的一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特性而被认为是消费级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。

其实,波导技术并不是什么新发明,我们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,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并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件:(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1> n2); (2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc. 

全反射原理示意图

光机完成成像过程后,波导将光耦合进自己的玻璃基底中,通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像,一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等),可以理解为“平行光进,平行光出”,所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。

光波导的这种特性,对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。因为有了波导这个传输渠道,可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面,这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡,并且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不足罗列如下,希望读者阅读完本文后会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,不阻挡视线并且改善配重分布 –  波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。

外观形态更像传统眼镜,利于设计迭代 –  波导形态一般是平整轻薄的玻璃片,其轮廓可以切割。

提供了“真”三维图像的可能性 – 多层波导片可以堆叠在一起,每层提供一个虚像距离。

不足

光学效率相对较低 – 光在耦合进出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出亮度降低。

几何波导: 繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。

衍射波导: 衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕,非传统几何光学,设计门槛较高。 

基于波导的AR眼镜外观原理示意图

光波导的不同分类 

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