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光波导核心原理以及AR眼镜背后的挑战 中国传统18个节日

2019-06-09 09:21作者:admin

光波导核心原理以及AR眼镜背后的挑战 中国传统18个节日

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)衍射式光波导和表面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提出并一直致力于优化迭代,至今差不多快二十年了。 按图4(a)所示,耦合光进入波导的一般是一个反射面或者棱镜。 在多轮全反射后光到达眼镜前方时,会遇到一个“半透半反”镜面阵列,这就是耦合光出波导的结构了,也就是几何光波导里的“光组合器”。

“半透半反”(确切说是“部分透部分反”)的镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面,每一个镜面会将部分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。

然后这部分前进的光又遇到另一个“半透半反”镜面,从而重复上面的“反射-透射”过程,直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。 在传统光学成像系统中,图像通常只有一个“出口”,叫做出瞳。 这里的“半透半反”镜面阵列相当于将出瞳沿水平方向复制了多份,每一个出瞳都输出相同的图像,这样眼睛在横向移动时都能看到图像,这就是一维扩瞳技术(1DEPE)。

详细说明,假设进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束,由于波导只负责传输而并不把图像放大缩小等,那么“出瞳”的也是4毫米的光束,在这种情况下人眼的瞳孔中心只能在这4毫米的范围内移动并且仍能看到图像。

这样的问题是,不同性别和年龄的人双眼瞳孔间距可能从51毫米到77毫米不等,如果近眼显示系统的光学中心依据瞳距的平均值(毫米)位置来设计,这就意味着有很大一部分人戴上这个眼镜看不到清晰的图像或完全接收不到图像。 有了这个扩瞳技术,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。

你可能会产生疑问,多个出瞳,这样眼睛不会看到重影么?放心吧,出瞳面只是图像的“傅里叶面”,人眼瞳孔会从这个面截取完整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,因而同一角度的光还是会汇聚到同一个像素(视觉细胞),不会出现重影。 可能有点难理解,但这是扩瞳技术可行的精髓。 动眼框的扩大解决了产品设计中的很多问题,例如机械设计容差、产品规格数目(需不需要分男版和女版)、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。

但是天下没有免费的晚餐,复制出瞳导致总的出光面积增大,自然而然在每一个出瞳的位置看到的通光量就减小了,这也是引起波导技术光效率比传统光学系统偏低的原因之一。

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,没有牵扯到任何微纳米级结构。 因此图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。 但是,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。 由于光在传播过程中会越来越少,那么阵列中这五六个镜面的每一个都需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。

并且由于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),导致每个镜面的镀膜可能达到十几甚至几十层。

另外,这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合,然后按照一个角度切割出波导的形状,这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。 因此,即使每一步工艺都可以达到高良率,这几十步结合起来的总良率却是一个挑战。

每一步工艺的失败都可能导致成像出现瑕疵,常见的有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。

另外,虽然随着工艺的优化镜面阵列已经几乎做到“不可见”,但在关掉光机的情况下仍然可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列),可能会遮挡一部分外部视线,也影响了AR眼镜的美观。

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