谷东科技AR眼镜的光学显示原理和工艺分享

　　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

　　2、偏振阵列波导

　　2.1 偏振阵列波导原理

　　偏振阵列波导技术的波导镜片中通常采用有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,该半透半反膜层具有角度选择性,且阵列排布。其工作原理示意图如图7中所示,图像源发出的光线经过目镜系统准直后,由波导反射面耦合进入波导,各视场光线依据全反射定理在波导中传播,光线入射到半透半反面上时,一部分反射出波导,另一部分透射继续传播。然后这部分前进的光又遇到另一个镜面,重复上述的“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。由于波导可以具有多个半透半反面,每一个半透半反面形成一个出瞳,因此可以在基板厚度很薄的情况下,进行出瞳的扩展,实现大视场和大眼动范围显示。在经过多次反射后,便能将出射的光“调整”得比较均匀。

　　图7. 阵列光波导工作原理示意图

　　这项技术的扩瞳技术,设计较为复杂。设计时要充分考虑杂散光,人眼兼容性,各项性能指标。除此之外,均匀性也是最终用户体验的直观指标,如何控制多个膜层的反射和透过率,如何整机优化,如何控制镀膜工艺,才能保证整个眼动范围内的均匀性,也是研究的重点。为此谷东科技自主研发设计基于偏振阵列波导技术的光学模组,并在多次不断尝试总结后,得到了具有划时代意义的成果。

　　2.2 谷东科技-“七折叠、十二面体”超短焦AR光学模组M3010

　　近日,谷东科技发布了全新“七折叠、十二面体”超短焦AR光学模组M3010(如图8),采用特殊选择的材料和工艺搭配,成功消除了同行产品固有的杂像、条纹感、鬼像、畸变、色散等疑难问题,在成像清晰度、最高亮度、色彩均匀度、重量、体积、功耗、漏光等方面皆突破了现阶段AR显示技术的极限,各项指标皆居于世界前列,真正集合了光波导模组极薄、极轻、极高的色彩还原等所有优势,并将其性能发挥到极致。图9中所示即为谷东科技公司近期推出的基于偏振阵列波导技术的光学模组M3010产品规格。

　　图8. 谷东科技-(a)七折叠光路;(b) 基于偏振阵列波导技术的光学模组M3010产品展示图

　　图9. 谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组M3010产品规格

　　谷东科技的“七折叠、十二面体”超短焦光学模组M3010具有以下超强性能。1、小:基于晶体材料的各向异性特性实现了光学器件的复用,将原本在光波导内朝一个方向传播的光线折叠成7段,使投影光机单元体积缩小85%;2、轻:重量大约为33克;3、透:波导镜片透光度超过普通建筑玻璃窗,可达85%以上;4、薄:折射畸变小于2mm;5、色:超高对比度、分辨度、色彩还原度与超全色域覆盖率,M3010标配LCOS作为像源,分辨率可达到1920*1080,提供接近人眼极限分辨能力的光学解析力,完全消除屏幕边界感,画质清晰细腻,图像反差锐利,不会有颗粒感。入眼最高亮度可达5000nit,色域覆盖率超过100%RGB,达到专业显示器水准,分毫毕现。6、零走光:得益于谷东科技独家研发的分光膜阵列波导片和光学结构,M3010模组在工作时不会出现漏光,更不会对外界暴露屏幕显示的内容,不论对隐蔽性要求极高的军用头盔还是消费娱乐的AR眼镜,该特性都至关重要;7、超视界:M3010采用top-down结构,水平视场完全无遮挡,整个视场尽收眼里,全视界,在提高用户体验的同时还解决了用户因佩戴眼镜遮挡视线造成的安全隐患的问题;8、低功耗:续航时间可达到10个小时左右;9、量产每年达10K片,量产良率和成本均达到世界一流水平;10、超严格的环境测试标准:面对极端高、低温环境,以及高湿度和持续盐雾侵袭,谷东科技的“七折叠、十二面体”超短焦AR光学模组M3010都能以远超行业平均水平的可靠性稳定工作;11、全面接受定制:AR眼镜“出圈”落地场景丰富,基于M3010的强大功能,各行各业的科技公司可在自己熟悉的领域定制广泛的智能化AR产品。我们坚信谷东科技的“七折叠、十二面体”超短焦光学模组M3010,必定能够拉开下一代显示技术革命的序幕,并为同样对技术抱持工匠精神的企业提供更优秀、更强大的AR产品以及优质的服务。

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