近视眼显示技术是核心,成像系统叠加是关键。近眼显示系统(NED)是 AR 设备叠加虚拟物品并实现交互的核心,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。由于 AR 眼镜需要透视,既看到真实的 外部世界,也看到虚拟信息,所以成像系统不能挡在视线前方,需要多加一个或 一组光学组合器,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"。

VR 和 AR 显示系统示意图


AR 设备的光学显示系统由图像源器件与显示光学器件组成,前者产生图像 并将图像投射到显示光学器件中,显示光学器件将图像反射到用户眼睛中。图像 源器件技术主要包括硅基液晶(LCoS)、AMOLED 和 micro LED,目前 LCoS 一 直是 AR 眼镜中应用的主要技术,AMOLED 具有自发光功能,设计更简洁,光视 效率更高,微型 LED 光视效率更高、产品寿命更长、反应速度更快,更适合AR 眼镜,但目前 micro LED 技术量产尚不成熟。

目前光学元件技术分为棱镜、自由曲面、光波导等,棱镜光学是 Google Glass采用的光学方案。通过投影到带有切割反射面的小棱镜上成像,棱镜将图像反射到人眼视网膜中,与现实图像相叠加成像,方案比较成熟,技术门槛低,但视场 角小、镜片厚且亮度不足。Birdbath 方案和棱镜光学原理相近,采用 45 度角的分 光镜(具有反射和透射值),弊端也和棱镜方案类似。

自由曲面指通过投影到表面不规则的带反射/透射(R/T)值的曲面反射镜,然后反射回眼内,这种方案显示源一般在额头前方,自由曲面厚度较厚,外界透 光率较低,视场角也较小且体积较大。日本爱普生公司及美国梦境视觉 Meta 系列 曾采用过该方案,Meta 系列重量约 420 克(不计线缆和头部绑带)。


光波导为目前主流方案,光波导可分为几何光波导(也叫阵列光波导)和衍射光波导,根据不同的光栅元件,衍射光波导有利用光刻技术制造的表面浮雕光 栅波导和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(也叫全息光波导)两种。



几何光波导是通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大,代表光学公司是以色列的 Lumus。几何光波导的光路设计是耦合光通过反射面或棱镜进 入波导,经过"半透半反"镜面阵列耦合出波导,再到达眼镜前方。几何光波导 没有牵扯到任何微纳米级结构,图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。但是每个"半透半反"镜面都需要十几甚至几十层的镀膜工艺,总体良率不高,量产性较差。


与几何光波导不同,衍射光波导通过光栅结构实现光束的扩展和耦出,表面浮雕光栅波导和全息体光栅波导的区别在于光栅的加工制作方式不同。HoloLens2 和 Magic Leap One 均属于表面浮雕光栅波导,利用二元光学理论,在晶圆表面 纳米压印光刻极为精细的结构形成表面浮雕光栅结构,根据形状不同,表面浮雕 光栅有矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅等。由于制作时无需将镀膜斜面"插入" 镜片中,只需要在镜片表面加工光栅结构即可,表面浮雕光栅波导工艺相对简单, 批量生产成本低,未来发展潜力巨大。


相比于几何光波导,衍射光波导能实现二维扩瞳。普通成像均只有一个图像 出口,而通过"半透半反"的镜面阵列和光栅,成像有了多个出口,眼睛横向移 动时候能都看到图像,横向可视范围变大,即实现了一维扩瞳。衍射光波导用的 半导体加工工艺相对简单,批量生产成本低,而且通过合理的设计光栅结构,可 以实现出瞳的二维扩展扩大可视范围,即二维扩瞳,二维扩瞳常见为六边形分布 的圆柱光栅。

全息体光栅光波导使用全息体光栅元件(Holographic Optical Element,HOE) 代替浮雕光栅,苹果公司收购的 Akonia 公司采用的便是全息体光栅。相比较浮雕 光栅,全息光学元件是通过双光束激光全息曝光的方式,直接在微米级光聚合物 薄膜内干涉形成纳米级的光栅结构。HOE 具有高透明,高衍射效率特点,全息体 光栅光波导色彩表现更好,局限在于材料制备复杂、规模量产困难、长期可靠性、 材料稳定性难保证。


三种光波导方案中,几何光波导的局限在于良率不高,量产性不强,全息光 波导则受全息体光栅材料制备复杂所限制。而表面浮雕光栅波导显示效果好,量 产可能性高,发展潜力也最大,未来很可能成为 AR 光学显示主流方案。目前国 内水晶光电、舜宇光学科技和歌尔股份在光波导相关解决方案上有布局。


在主流光学方案之外,光场技术也是一种关注度较高的方案,光场光子产生 不同深度的数字光,并与自然光无缝融合,从而将逼真的虚拟物体叠加至真实世 界中,由于光场技术能够完全真实地模拟光线在现实世界的存在方式,其显示效 果要优于光波导,蚁视科技和 Magic Leap 都曾申请过相关专利。蚁视科技在 2012 年的专利中,将光场显示中最小的显示单位定义为元光束,Magic Leap 的技术方 案中,微型光纤投射器向不同方向投射元光束,与自然光线一样,无数元光束也 会在视网膜附近交汇成无数个点,人眼可以自主选择在不同的焦点成像,从而让 使用者感觉到像的深度,获得完整的空间信息。

这种景深让成像更加真实,并且可以减少眩晕,有利于长时间佩戴。但是运 用光场技术的 AR 产品存在价格昂贵、视场角小、体积较大的问题,Magic Leap 的 AR 产品曾计划采用这一技术方案,最终未能成功,Magic Leap one 也转向了 光波导方案,未来光场技术还有待进步。

来源:https://caifuhao.eastmoney.com/news/20210708183808284022720

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作者 sun, keting