揭秘光波導核心原理,了解AR眼鏡背後的挑戰(上)

2020-12-03 雷鋒網

光波導,因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案,又因其價格高和技術門檻高讓人望而卻步。隨著主流AR設備微軟HoloLens2、Magic Leap One等對光波導技術的採用和設備量產,以及AR光學模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等近期融資消息的頻繁披露,導致光波導的討論熱度也持續增加了不少。

那麼,光波導的工作原理是怎樣的?市面上林林總總的陣列光波導、幾何光波導、衍射光波導、全息光波導、多層光波導又有什麼不同?它又是如何一步步改變AR眼鏡市場格局的?

一、光波導,一個應AR眼鏡需求而生的光學方案

增強現實(AR)與虛擬實境(VR)是近年來廣受關注的科技領域,它們的近眼顯示系統都是將顯示器上的像素, 通過一系列光學成像元件形成遠處的虛像並投射到人眼中。

不同之處在於,AR眼鏡需要透視(see-through),既要看到真實的外部世界,也要看到虛擬信息,所以成像系統不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學組合器(optical combiner),通過「層疊」的形式, 將虛擬信息和真實場景融為一體,互相補充,互相「增強」。

圖 1. (a) 虛擬實境(VR)近眼顯示系統的示意圖; (b) 增強現實(AR)近眼顯示系統的示意圖。

NED:近眼顯示(Near-eye display,簡稱NED)

AR設備的光學顯示系統通常由微型顯示屏和光學元件組成。概括來說,目前市場上的AR眼鏡採用的顯示系統就是各種微型顯示屏和稜鏡、自由曲面、BirdBath、光波導等光學元件的組合,其中光學組合器的不同,是區分AR顯示系統的關鍵部分。

微型顯示屏,用來為設備提供顯示內容。它可以是自發光的有源器件,比如發光二極體面板像micro-OLED和現在很熱門的micro-LED,也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS),還有基於微機電系統(MEMS)技術的數字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和雷射束掃描儀(LBS)。

這裡做了一張簡單的AR光學顯示系統的分類和產品舉例:

因為本文主要闡述光波導的工作原理和特點,對其它光學方案不做詳細介紹,關於幾種方案的區別,之前也有較多文章進行了闡述。很顯然,完美的光學方案還沒有出現,才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態,這需要AR眼鏡的產品設計者依據應用場景、產品定位等來做權衡取捨。我們認為,光波導方案從光學效果、外觀形態,和量產前景來說,都具備最好的發展潛力,可能會是讓AR眼鏡走向消費級的不二之選。

二、光波導是如何工作的

在上述光學成像元件中,光波導技術是應AR眼鏡需求而生的一個比較有特色的光學組件,因它的輕薄與外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案,而隨著微軟Hololens兩代產品以及Magic Leap One等設備對光波導的採用和量產,關於光波導的討論熱度也在持續增加。

其實,波導技術並不是什麼新發明,我們熟悉的光通信系統中,用來傳輸信號的光纖組成了無數條連接大洋彼岸的海底光纜,就是波導的一種,只不過傳輸的是我們看不見的紅外波段的光。

在AR眼鏡中,要想光在傳輸的過程中無損失無洩漏,「全反射」是關鍵,即光在波導中像只遊蛇一樣通過來回反射前進而並不會透射出來。簡單來說達到全反射需要滿足兩個條件:(1) 傳輸介質即波導材料需要具備比周圍介質高的折射率(如圖2所示n1> n2); (2) 光進入波導的入射角需要大於臨界角θc.

圖 2. 全反射原理示意圖

光機完成成像過程後,波導將光耦合進自己的玻璃基底中,通過「全反射」原理將光傳輸到眼睛前方再釋放出來。這個過程中波導只負責傳輸圖像,一般情況下不對圖像本身做任何「功」(比如放大縮小等),可以理解為「平行光進,平行光出」,所以它是獨立於成像系統而存在的一個單獨元件。

光波導的這種特性,對於優化頭戴的設計和美化外觀有很大優勢。因為有了波導這個傳輸渠道,可以將顯示屏和成像系統遠離眼鏡移到額頭頂部或者側面,這極大降低了光學系統對外界視線的阻擋,並且使得重量分布更符合人體工程學,從而改善了設備的佩戴體驗。

這裡將波導技術的主要優點和不足羅列如下,希望讀者閱讀完本文後會對背後的緣由更加了解。

優點

增大動眼框範圍從而適應更多人群,改善機械容差,推動消費級產品實現 – 通過一維和二維擴瞳技術增大動眼框。成像系統旁置,不阻擋視線並且改善配重分布 – 波導鏡片像光纜一樣將圖像傳輸到人眼。外觀形態更像傳統眼鏡,利於設計迭代 – 波導形態一般是平整輕薄的玻璃片,其輪廓可以切割。提供了「真」三維圖像的可能性 – 多層波導片可以堆疊在一起,每層提供一個虛像距離。不足

光學效率相對較低 – 光在耦合進出波導以及傳輸的過程中都會有損失,並且大的動眼框使得單點輸出亮度降低。幾何波導: 繁冗的製造工藝流程導致總體良率較低。衍射波導: 衍射色散導致圖像有「彩虹」現象和光暈,非傳統幾何光學,設計門檻較高。

圖 3. 基于波導的AR眼鏡外觀原理示意圖

三、光波導的不同分類

如文章第二部分所提,波導結構的基礎是輕薄透明的玻璃基底(一般厚度在幾毫米或亞毫米級別),光通過在玻璃上下表面之間來回「全反射」前進。

如果我們基於全反射的條件做一個計算,會發現只有一部分角度的入射光能夠在波導中傳輸,這便決定了AR眼鏡最終的視場角(FOV)範圍。

簡而言之,越是大的視場角,就需要越高折射率的玻璃基底來實現。因此傳統玻璃製造商比如康寧(Corning)和肖特(Schott),近年來都在為近眼顯示市場研製專門的高折射率並且輕薄的玻璃基底,還在努力不斷增大晶元尺寸以降低波導生產的單位成本。

有了高折射率玻璃基底,區別波導類型就主要在於光進出波導的耦合結構了。光波導總體上可以分為幾何光波導(Geometric Waveguide)和衍射光波導(Diffractive Waveguide)兩種,幾何光波導就是所謂的陣列光波導,其通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和動眼框的擴大,代表光學公司是以色列的Lumus,目前市場上還未出現大規模的量產眼鏡產品。

衍射光波導主要有利用光刻技術製造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Grating)和基於全息幹涉技術製造的全息體光柵波導(Volumetric Holographic Grating), HoloLens 2,Magic Leap One均屬於前者,全息體光柵光波導則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵,蘋果公司收購的Akonia公司採用的便是全息體光柵,另外致力於這個方向的還有Digilens。這個技術還在發展中,色彩表現比較好,但目前對FOV的限制也比較大。

這裡還要區別一下真正的「全息技術」,其實這一直是個誤區,全息光柵只是因為利用了類似於全息照相的原理來製造的,即用兩束雷射形成幹涉條紋來調製光柵材料的特性以形成「折射率周期」,光柵本身並不能夠全息成像。

四、幾何光波導的工作原理及優缺點

限於文章篇幅的原因,今天主要分析幾何波導的工作原理和優缺點,下一篇再重點分析衍射波導。

圖 4. 光波導的種類: (a) 幾何式光波導和「半透半反」鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導和表面浮雕光柵的原理示意圖, (c) 衍射式光波導和全息體光柵的原理示意圖。

「幾何光波導」的概念最先由以色列公司Lumus提出並一直致力於優化迭代,至今差不多快二十年了。按圖4(a)所示,耦合光進入波導的一般是一個反射面或者稜鏡。在多輪全反射後光到達眼鏡前方時,會遇到一個「半透半反」鏡面陣列,這就是耦合光出波導的結構了,也就是幾何光波導裡的「光組合器」。

「半透半反」(確切說是「部分透部分反」)的鏡面是嵌入到玻璃基底裡面並且與傳輸光線形成一個特定角度的表面,每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼,剩下的光線透射過去繼續在波導中前進。然後這部分前進的光又遇到另一個「半透半反」鏡面,從而重複上面的「反射-透射」過程,直到鏡面陣列裡的最後一個鏡面將剩下的全部光反射出波導進入人眼。

在傳統光學成像系統中,圖像通常只有一個「出口」,叫做出瞳。這裡的「半透半反」鏡面陣列相當於將出瞳沿水平方向複製了多份,每一個出瞳都輸出相同的圖像,這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像,這就是一維擴瞳技術(1D EPE)。

詳細說明,假設進入波導「入瞳」的是直徑4毫米的光束,由于波導只負責傳輸而並不把圖像放大縮小等,那麼「出瞳」的也是4毫米的光束,在這種情況下人眼的瞳孔中心只能在這4毫米的範圍內移動並且仍能看到圖像。

這樣的問題是,不同性別和年齡的人雙眼瞳孔間距可能從51毫米到77毫米不等,如果近眼顯示系統的光學中心依據瞳距的平均值(63.5毫米)位置來設計,這就意味著有很大一部分人戴上這個眼鏡看不到清晰的圖像或完全接收不到圖像。

有了這個擴瞳技術,動眼框範圍通常能從最初的4毫米左右擴大到10毫米以上。你可能會產生疑問,多個出瞳,這樣眼睛不會看到重影麼?放心吧,出瞳面只是圖像的「傅立葉面」,人眼瞳孔會從這個面截取完整的圖像信息並用自帶的「透鏡」晶狀體會將出瞳面透射到真正的「像面」(視網膜)上,因而同一角度的光還是會匯聚到同一個像素(視覺細胞),不會出現重影。

可能有點難理解,但這是擴瞳技術可行的精髓。動眼框的擴大解決了產品設計中的很多問題,例如機械設計容差、產品規格數目(需不需要分男版和女版)、用戶交互體驗等,將AR眼鏡向消費級產品的實現大大推動了一步。

但是天下沒有免費的晚餐,複製出瞳導致總的出光面積增大,自然而然在每一個出瞳的位置看到的通光量就減小了,這也是引起波導技術光效率比傳統光學系統偏低的原因之一。

幾何光波導運用傳統幾何光學設計理念、仿真軟體和製造流程,沒有牽扯到任何微納米級結構。因此圖像質量包括顏色和對比度可以達到很高的水準。

但是,工藝流程比較繁冗,其中一步是「半透半反」鏡面陣列的鍍膜工藝。由於光在傳播過程中會越來越少,那麼陣列中這五六個鏡面的每一個都需要不同的反射透射比(R/T),以保證整個動眼框範圍內的出光量是均勻的。

並且由於幾何波導傳播的光通常是偏振的(來源於LCOS微型顯示屏的工作原理),導致每個鏡面的鍍膜層數可能達到十幾甚至幾十層。另外,這些鏡面是鍍膜後層層摞在一起並用特殊的膠水粘合,然後按照一個角度切割出波導的形狀,這個過程中鏡面之間的平行度和切割的角度都會影響到成像質量。

因此,即使每一步工藝都可以達到高良率,這幾十步結合起來的總良率卻是一個挑戰。每一步工藝的失敗都可能導致成像出現瑕疵,常見的有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。

另外,雖然隨著工藝的優化鏡面陣列已經幾乎做到「不可見」,但在關掉光機的情況下仍然可以看到鏡片上的一排豎條紋(即鏡面陣列),可能會遮擋一部分外部視線,也影響了AR眼鏡的美觀。

作者介紹:李琨,浙江大學光電系本科畢業,美國加州伯克利大學電子工程系博士畢業,主要研究方向包括光學成像系統、光電子器件、半導體雷射器和納米技術等。現就職位於美國舊金山灣區的Rokid R-lab,擔任光學研究科學家和多個項目負責人。

雷鋒網

相關焦點

  • 揭秘光波導核心原理,了解AR眼鏡背後的挑戰(下)
    在上一篇文章中我們介紹了光波導的概念及與其他AR眼鏡光學方案的比較,然後重點分析了幾何光波導 (Geometric Waveguide) 的工作原理。下面,就讓我們通過這篇文章,了解下對於AR眼鏡而言,神秘又重要的衍射光波導技術。圖 1.
  • 上篇:揭秘光波導核心原理,了解AR眼鏡背後的挑戰
    這裡做了一張簡單的AR光學顯示系統的分類和產品舉例:因為本文主要闡述光波導的工作原理和特點,對其它光學方案不做詳細介紹,關於幾種方案的區別,之前也有較多文章進行了闡述。很顯然,完美的光學方案還沒有出現,才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態,這需要AR眼鏡的產品設計者依據應用場景、產品定位等來做權衡取捨。
  • 揭秘光波導核心原理,了解AR眼鏡背後的挑戰
    這篇文章,我們重點分析下光波導的另一個類群 – 衍射光波導 (Diffractive Waveguide), AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀,真正走向消費市場,衍射光波導,具體說表面浮雕光柵方案是目前的不二之選。
  • 一文看懂主流AR眼鏡的核心顯示技術——光波導 下
    文 | 李琨在上一篇文章中我們介紹了光波導的概念及與其他AR眼鏡光學方案的比較,然後重點分析了幾何光波導 (Geometric Waveguide) 的工作原理。上篇回顧:揭秘光波導核心原理,了解AR眼鏡背後的挑戰(上)這篇文章,我們重點分析下光波導的另一個類群 – 衍射光波導 (Diffractive Waveguide), AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀,真正走向消費市場,衍射光波導,具體說表面浮雕光柵方案是目前的不二之選。
  • 從AR光學開始,了解AR眼鏡
    以下我們把AR光學,分成小稜鏡類,曲面反射類(大曲面,小曲面),光波導類(反射光波導,蝕刻光柵波導,全息光柵波導),小孔成像等其他類別。I) 小稜鏡類PrismGoogle Glass上使用的光學方案。通過投影到帶有切割反射面的小稜鏡上成像,光的傳播路徑上,較多採用半透半反平面和球面的反射的方式(稱為Birdbath)。
  • 定製AR眼鏡來臨:看谷東AR光波導模組11個特性
    (原標題:定製AR眼鏡來臨:看谷東AR光波導模組11個特性)
  • 打造AR光波導生產線,領跑AR核心顯示技術,靈犀微光生產基地落地無錫
    CEO鄭昱表示,靈犀微光作為相關行業技術的領跑者,希望能夠藉助無錫高新區的區位優勢,打造世界第一條國際水準的AR光波導生產線,並圍繞這一生產線形成產業集群,實現規模效應。靈犀微光成立於2014年,是一家專注於增強現實(AR)底層技術的高科技公司,聚焦AR設備瓶頸技術——光學顯示,主攻核心器件光學引擎。
  • 瓏璟光電展示全息光柵光波導 減輕AR設備厚重問題
    深圳瓏璟光電技術有限公司展示了其成功研發的全息光柵光波導AR模組樣品,型號為LCE1830H。作為國內領先的AR(增強現實)顯示模組供應商,成為目前唯一一家同時擁有陣列光波導、全息光柵光波導技術方案的公司。此次推出的全息光柵光波導方案,預計在2019年實現量產。  光波導主要應用於AR眼鏡、智能可穿戴設備等領域。
  • AR 眼鏡中的光學顯示方案原理及其工藝全解析
    1.5光波導方案光波導方案在清晰度、可視角度、體積等方面均具優勢,於是成為目前最佳的增強現實眼鏡中光學顯示方案,而且有望成為AR眼鏡的主流光學顯示解決方案。基于波導技術的AR眼鏡,一般由顯示模組、波導和耦合器三部分組成。顯示模組發出的光線被入耦合器件耦入光波導中,在波導內以全反射的形式向前傳播,到達出耦合器件時被耦合出光波導後進入人眼成像。
  • 亮亮視野李勇:高對比度陣列光波導將成為未來三年AR眼鏡光學顯示...
    其中,光學是能否成功的因素之一,作為AR最核心的器件,光學佔據了AR眼鏡三分之一的體積,它的形態直接決定了AR眼鏡的外觀,它的成像表現、功耗水平則決定了用戶的體驗程度。因此,受限於衍射光學原理和微納加工工藝,衍射光波導方案不可避免的存在顏色均勻性差、光能利用率低、圖像外洩問題。而OLED陣列光波導基於幾何光學原理,具有單層全彩、均勻性好、功耗低、無漏光、對比度高等優點,可以給用戶帶來更好的視覺和使用體驗。
  • AR光波導量產難如上天?這家中國創企做了四年終成功 | 獨家揭秘
    瓏璟光電第一代AR稜鏡顯示模組但這些方案的光學原理決定了其體積方面的先天不足:半透半反稜鏡的普遍厚度在7-12毫米之間,視場角也極小——人們戴上眼鏡後,往往只能看到一個極為袖珍的圖像;而它的「進化版」自由曲面稜鏡,相對容易量產,視場角也大,只是體積方面仍然難以縮減,透過性也一般,不太容易產生好的AR透視視覺效果。
  • 2019是AR硬體衝刺年,「光粒科技」即將發布消費級AR光場眼鏡
    光粒科技是一家聚焦消費級AR眼鏡市場的創業公司,採用了和Magic Leap類似的光場原理來解決視覺暈眩的固有問題,同時採用衍射光波導技術(Magic Leap、HoloLens亦採用類似技術),推動實現極致輕薄的目標。預計2019年底推出可量產的消費級AR眼鏡產品。
  • 鯤遊光電正式國內首發量產型全息光柵AR光波導——逍遙系列,引發...
    光博會OW7展館,專注於晶圓級光晶片研發與應用的高科技企業——鯤遊光電,正式國內首發量產型全息光柵AR光波導——逍遙系列,引發業界關注。 據了解,目前全球能夠量產全息光柵AR光波導的公司僅有包括微軟HoloLens、Magic Leap在內的少數幾家,數量屈指可數。
  • 歷歷科技發布高亮、超輕超薄、超低功耗AR光波導解決方案
    (原標題:歷歷科技發布高亮、超輕超薄、超低功耗AR光波導解決方案)
  • 熱文復盤|增強現實(AR)篇
    在今年也有不少AR硬體廠商推出了自己的AR眼鏡新品,為此VR陀螺整理了一份目前獲投資的AR眼鏡廠商排名,並以此來了解AR眼鏡廠商的情況,以及AR眼鏡的種種發展方向和趨勢。技術:2019從AR光學開始,了解AR眼鏡國內的眾多AR硬體生產公司在2019年年初紛紛拿到了風投,在短短的幾個月內,出現了近十筆涉及AR硬體核心技術的投資,每筆規模都在數千萬人民幣以上。
  • 谷東科技AR眼鏡的光學顯示解決方案
    North公司研發的基於全息透鏡方案的AR眼鏡。(a)產品實物;(b)成像光路。 1.5 光波導方案 光波導方案在清晰度、可視角度、體積等方面均具優勢,於是成為目前最佳的增強現實眼鏡中光學顯示方案,而且有望成為AR眼鏡的主流光學顯示解決方案。基于波導技術的AR眼鏡,一般由顯示模組、波導和耦合器三部分組成。
  • 36氪首發 | AR光波導製造商「靈犀微光」獲數千萬元A+輪融資,舜宇V...
    36氪獲悉,AR光波導模組製造商靈犀微光近日獲得由舜宇V基金領投,中關村啟航基金跟投的數千萬元A+輪融資。據悉,本次融資將主要用於深化光波導模組的技術,並為主流AR眼鏡市場儲備產能。靈犀微光是36氪持續報導的企業,創立於2014年底,一直專注於AR眼鏡的光波導顯示技術。目前已經擁有比普通近視鏡片更薄、重量僅11.5g的AR光波導模組,並具備超小型光波導模組的萬級量產能力,擁有近200家來自醫療、軍工、工業製造、電網電力等多行業的客戶。
  • AR眼鏡的未來?WaveOptics利用光波導技術實現更大的FOV
    當前,眾多廠商開始利用光波導技術研發AR設備,比如Lumus、DigiLens、Vuzix……等等。而光波導鏡片的成本較高,因此現在企業正在尋求在保證鏡片質量的基礎上降低成本的方法,比如英國初創WaveOptics。這家公司剛剛與康寧達成合作,以量產光波導鏡片,並能實現較大的FOV。
  • 賦能工業,谷東AR光波導模組M3010強勢破局
    不僅如此,當下AR眼鏡作為承載AR技術的最佳產品,已經在諸多行業擁有成功落地案例,如工業、軍事、航天、醫學等專業領域已開始逐步進行應用,並取得了良好的市場反饋。近日,國內專業AR光學方案供應商谷東科技AR陣列光波導模組M3010重磅上線,該光學模組定位工業行業應用,擁有視場角大、虛擬成像尺寸大,透光率好,解析度高等多種特點,為各類AR企業、工業客戶提供核心部件支持。
  • OPPO AR眼鏡最全解析
    在今天舉行的OPPO未來科技大會2019上,OPPO首次公布了AR眼鏡、智能手錶、智能耳機、5G CPE等產品,並向外界公布在萬物互聯時代的思考。OPPO未來將專注在萬物互融中的高頻、核心入口上,AR眼鏡就是其中之一。青亭網在活動現場體驗了這款AR眼鏡,並了解到OPPO AR項目設計的背後,下面我們一起來看。