AR眼镜的光学显示原理和工艺分享(一)

1、AR眼镜中的光学显示方案

增强现实技术即AR技术是在展示真实场景的同时,通过图像、视频、3D模型等技术为用户提供虚拟信息,实现将虚拟信息与现实世界巧妙地相互融合,属于下一个信息技术的引爆点,据权威预测增强现实眼镜将会取代手机成为下一代的协作计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起,尤其在安防和工业领域,增强现实技术体现了无与伦比的优势,大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导(Lightguide)方案。

1.1 棱镜方案

棱镜方案以Google Glass为例,如图1中所示,其光学显示系统主要由投影仪和棱镜组成。投影仪把图像投射出来,然后棱镜将图像直接反射到人眼视网膜中,与现实图像相叠加。由于系统处于人眼上方,需要将眼睛聚焦到右上方才能看到图像信息,而且这一套系统,存在一个视场角vs体积的天然矛盾。Google Glass系统视场角较小,仅有15度的视场角,但是光学镜片却有10mm的厚度,而且亮度也不足,图像存在较大的畸变,所以产品进入市场后不久便被公司撤回。

图1. Google Glass眼镜产品实物图

1.2 Birdbath方案

Birdbath方案中的光学设计是把来自显示源的光线投射至45度角的分光镜上,分光镜具有反射和透射值(R/T),允许光线以R的百分比进行部分反射,而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象,以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线弹到合成器上。合成器一般为一个凹面镜,可以把光线重新导向眼睛。采用这种光学显示方案的AR头显装置主要有联想Mirage AR头显(图2(a))与ODG R8和R9(图2(b))。其中ODG有50度的视场角,其厚度则超过20mm。

图2. (a) Mirage头显装置;(b) ODG R9头显装置

1.3自由曲面方案

自由曲面方案中一般采用有一定反射/透射(R/T)值的自由曲面反射镜,自由曲面是一种有别于球面或者非球面的复杂非常规面形,即用来描述镜头表面面形的数学表达式相对比较复杂,往往不具有旋转对称性。显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器,并且反射回眼内。显示源的理想位置居中,并与镜面平行。从技术上讲,理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛,所以大多数设计都将显示器移至“轴外”,设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变,需要在软件/显示器端进行修正。由于自由曲面不仅能为光学系统的设计提供更多的自由度,使系统的光学性能指标得到显著提高,而且为系统设计带来更加灵活的结构形式,因此成为近年来光学设计领域的研究热点,其中最具代表性公司有日本爱普生公司(如图3所示)以及美国梦境视觉公司的Meta系列(如图4所示)。日本爱普生公司的AR眼镜虽然在色彩、饱和度和成像质量方面博彩,但是它仅有23度的视场角,而且有13mm的厚度。美国梦境视觉公司的Meta2系列AR眼镜虽然有90度的视场角,但是其厚度超过50mm,仅光机系统重量就约为420克。

图3. 日本爱普生公司研发的AR眼镜。(a)产品实物;(b)成像光路。

图4. 美国梦境视觉公司研发的AR头盔。(a)产品实物;(b)成像光路。

由上所述可知,棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案这三种方案中都存在一个不可规避的矛盾,即视场角越大,光学镜片就越厚,体积越大,也正是因为这一无可调和的矛盾限制了其在智能穿戴方面,即增强现实眼镜方面的应用。

1.4 全息透镜方案

全息透镜方案使用全息镜片独一无二的光学特性,其原理是将一个全息准直透镜(Hd)和一个简单的线性光栅(Hg)记录在同一个全息干板上,全息准直透镜将显示源射出的光束准直为平面波,并衍射进基底以进行全内反射传输,同时线光栅将光束衍射输出进入人眼。这种系统将全息光学元件作为耦合元件,结构紧凑的同时降低了对全息光学元件设计和加工的难度,同时降低了全息透镜的色散,而且具有大FOV和小体积的优势,因而迅速被人们所接受。但是受限于眼动范围比较小,而且由于全息透镜具有复杂的像差和严重的色散,因此用全息透镜成像效果并不理想。目前采用全息透镜方案的代表性厂家是North,如图5中所示即为North公司的基于全息透镜方案的AR眼镜产品实物图以及其成像光路示意图。

图5. North公司研发的基于全息透镜方案的AR眼镜。(a)产品实物;(b)成像光路。

1.5 光波导方案

光波导方案在清晰度、可视角度、体积等方面均具优势,于是成为目前最佳的增强现实眼镜中光学显示方案,而且有望成为AR眼镜的主流光学显示解决方案。基于波导技术的AR眼镜,一般由显示模组、波导和耦合器三部分组成。显示模组发出的光线被入耦合器件耦入光波导中,在波导内以全反射的形式向前传播,到达出耦合器件时被耦合出光波导后进入人眼成像。由于用波导折叠了光路,一般系统体积相对较小。根据耦合器的原理,基于波导技术的AR眼镜,所使用的光波导技术总体上可分为几何波导方案和衍射光波导方案两种。

几何波导方案中一般包括锯齿结构波导和偏振薄膜阵列反射镜波导(简称偏振阵列波导)。其中主流的偏振阵列波导是通过利用多个等间距平行放置且有一定分光比的半透半反膜层来实现图像的输出和出瞳扩展,从而具有轻薄、较大的视场和眼动范围且色彩均匀的优势。衍射光波导方案主要有表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案。浮雕光栅波导方案是采用纳米压印光刻技术制造,虽然具有大视场和大眼动范围的优势,但是也会带来视场均匀性和色彩均匀性的挑战,同时相关的微纳加工工艺也是巨大的挑战,生产成本较高。体全息光栅波导方案在色彩均匀性(无彩虹效应)和实现单片全彩波导上均具有优势,于是引起了AR光学模组生产产商的极大兴趣。

图6为波导方案的基本显示原理,耦入区域用于将微投影光机的光束耦入到波导片中,使得光束满足在波导片中全反射传播的条件,耦出区域用于将全反射传播的光束耦出波导片并传到人眼。耦入区域可以是反射镜、棱镜、浮雕光栅和体全息光栅等。耦出区域可以是阵列排布的半透半反射镜、浮雕光栅和体全息光栅等。本文将对几何光波导技术中的偏振阵列波导方案以及衍射光波导技术中的表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案进行详细说明,并对表面浮雕光栅和体全息光栅的制备、加工工艺做出阐述,同时进一步地介绍谷东科技在该领域相关的研发情况。

图6. 波导方案原理图