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AR眼镜中的光学显示方案

2021-1-9 10:15:43 2512 光学显示

0 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。 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。 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。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。 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。 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。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。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19201080，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。　　3、衍射光波导* 　　3.1表面浮雕光栅波导浮雕光栅波导方案即为使用浮雕光栅（SRG）代替传统的折反射光学器件（ROE）作为波导方案中耦入、耦出和出瞳扩展器件，其工作原理示意图如图10中所示。常用的浮雕光栅主要有一维光栅，其中包括倾斜光栅、梯形光栅、闪耀光栅和矩形光栅结构等，图11（a）中所示为倾斜光栅的扫描电镜（SEM）图。二维光栅主要为波导中常用的六边形分布的圆柱光栅结构，如图11（b）中所示为二维圆柱光栅结构的SEM图。以上光栅结构的特征尺寸均为纳米级。目前浮雕光栅波导方案最具代表的产品为微软的HoloLens系列12（a）以及WaveOptics公司的浮雕光栅波导系列产品12（b）。 3.2体全息光栅波导体全息光栅波导方案采用体全息光栅作为波导的耦入和耦出器件，体全息光栅是一种具有周期结构的光学元件，它一般通过双光束全息曝光的方式，直接在微米级厚度感光聚合物薄膜内部干涉形成明暗分布的干涉条纹，从而引起了材料内部的折射率周期性变化。这个周期一般是纳米级的光栅结构，与可见光波长为一个量级，于是便可以对光线进行有效调制，通过对入射光发生衍射作用，从而改变光的传输方向。将体全息光栅和波导片结合，通过设计体全息光栅的相关参数（如材料折射率n、折射率调制因子和厚度等）可以调整体全息光栅的衍射效率。体全息光栅波导技术的工作原理示意图如图13中所示，由微显示器产生的图像经过准直系统后变为平行光，平行光透过波导照射到入耦合端的全息光栅上，由于全息光栅的衍射效应使平行光传播方向改变，波导中的光线在满足全反射条件时，被限制在波导内沿波导方向向前无损传播。当平行光传播到出耦合端的全息光栅时，全反射条件被破坏，光线再次发生衍射变为平行光从波导中出射，进入人眼成像。当耦入的全息光栅与调制出射的全息光栅具有相同的周期结构，且镜像对称时，可有效消除色散。早期采用体全息光栅波导方案的代表性厂家为Sony和Digilens，随着该技术的日渐成熟，目前参与全息光栅衍射波导光学研究的公司数量不断增加，主要包括英国的TruLife和WaveOptics，以及美国的Akonia等。Sony出过一款高亮度的单绿色体全息光栅波导，如图14中所示，该结构采用双面体全息光栅作为入耦合端，达到了 85%的透射率，显示亮度为 1000cd/m2。但因体全息光栅的厚度较小，该系统效率较低，此外，仅能用于单色显示，现已停产。Digilens推出双层全彩体全息光栅波导，如图15中所示，该结构通过利用多个单色光栅实现彩色实现，可有效减少系统颜色的串扰，但该系统的效率不高，且因其双层波导结构，系统制造难度更大。谷东科技采用全息材料曝光方法做到将RGB三色合一到一片衍射波导上，利用相干记录，衍射复现的原理将图像传到人眼显示。主要有模拟设计，材料，以及工艺制备这三个方面。模拟设计需要自行编写复杂的计算模型；材料主要指HOE中的感光材料，对于全息光波导，需要其制造前后的低收缩比，高效率以及高均匀性；工艺方面，更多是需要全息技术的制造光路以及曝光经验，它和使用的材料非常相关。图16是谷东科技研发的单层全彩色体全息光栅波导相应的显示效果，视场角为30°。 4、衍射光波导的微纳制造 4.1 表面浮雕光栅波导的微纳制造表面浮雕光栅从维度上可分为一维和二维光栅，而在结构上可分为直光栅、闪耀光栅和倾斜光栅。由于增强现实光波导用于可见光波段，为了实现较大的衍射效率和视场角，其特征尺寸一般在数百纳米，甚至几十纳米，且其性能对误差容忍度较小，所以对微纳加工制备提出了很大的挑战。目前的衍射光波导制备基本都是基于半导体制备工艺（如光刻、刻蚀工艺）完成。但是，由于这些方法受其复杂、昂贵的设备的限制，生产成本非常高，不适合光学模组的大批量制备。图17中所示即为表面浮雕光栅模板制备或小批量制备工艺流程图，包括其扫描电镜图。对于直光栅，其工艺较为成熟，首先在基底上旋涂抗蚀剂层，通过干涉曝光或电子束曝光实现光栅的图案化，之后利用反应离子刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体刻蚀（ICP）将图案转移到基底，并将抗蚀剂层去除，完成直光栅的制备。由于均匀性问题导致以HoloLens为代表的斜光栅光波导无法直接采用反应型刻蚀方案准备，所以制备工艺较为复杂，需要采用聚焦离子束（focused ion beam etching，FIBE）、离子束刻蚀（ion beam etching，IBE）、反应离子束刻蚀（reactive ion beam etching，RIBE）技术所制备。综合考虑到效率和均匀性，RIBE是其中较为合适的方案。首先，将基底上通过物理或化学方法镀一层硬掩模（如Cr）层，之后旋涂一层抗蚀剂层。同样利用干涉曝光或电子束曝光进行图案化，之后通过氯干刻蚀工艺将抗蚀剂图案转移到Cr层。在刻蚀工艺之后，用氧等离子体法剥离剩余的抗蚀剂层。接下来使用基于氟基的RIBE工艺用电离的氩离子束以倾斜的角度入射基底。在反应离子束刻蚀之后，通过标准的湿法刻蚀工艺去除Cr掩模，获得具有出色均匀性的斜光栅。上述基于半导体工艺的制备成本昂贵，不适合光栅波导量产加工。因此，衍射光波导的复制工艺随即被开发出来以便实现大批量生产，而这种大规模的制造工艺依赖于高折射率的光学树脂，目前Magic Leap和WaveOptics已经进行了相关工艺的验证。复制工艺包括热压法（hot embossing）、紫外线纳米压印光刻法（UV-nano imprint lithography）和微接触压印法（micro contact printing，亦被称为软光刻）。其中紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产中的常用方法。具体工艺流程如图18所示，该工艺可分为两个阶段：纳米压印工作模具制备阶段和批量生产阶段。首先，通过上述模板制备工艺将图案加工到硅晶圆上以用作模板，通过纳米压印技术在更大的硅晶片上旋涂UV树脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外线对印刷的结构进行曝光以固定树脂。最后通过重复上述过程批量生产多图案的压印模具。在批量生产的过程中，使用多图案的模具来生产表面浮雕光栅波导，然后使用功能性涂层覆盖波导，并用激光切割技术分离，最后将不同结构的波导堆叠实现光学模组的制备。 4.2 体全息光栅波导的微纳制造体全息波导关键元件是体全息光栅，体全息光栅的制备正是利用了全息技术的特性，通过激光激发的两个有一定夹角的平面光波相互干涉，并将干涉图案曝光附着在基底上的光敏材料上形成干涉条纹来获得的，材料特性根据光的强度分布而变化，最后获得具有折射率周期性变化特性的材料。制备体全息波导的材料包括卤化银、重铬酸盐明胶、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。全息技术是一种利用光学相干原理来记录和获取物光波的振幅和相位信息的方法。其利用干涉记录、衍射再现的原理，把具有振幅和相位信息的物光波与参光波相干涉产生的干涉条纹以强度分布的形式记录成全息图，从而把物光波的全部振幅和相位信息记录在感光材料上。全息是一种主动式相干成像技术，全息的记录光路（如图19（a）中所示）主要完成两个方面的功能，一是完成被测物体的相干照明，通过物体的透射或反射形成物光波；二是利用参考光波与物光波发生干涉，形成全息图。其中，T0表示零级衍射光，对应于参考光波的透射光波；T+1表示 +1级衍射光，携带了原始物光波的信息；T-1为 -1级衍射光，携带了物光波的共轭信息。在光学全息中， +1级衍射光能够形成物体的虚像，可以用眼睛直接观察，而 -1级衍射光能够形成物体的实像，可以利用屏幕接收。理想全息光栅的衍射级次只有0级和±1级，全息光波导显示利用的是0级光在光波导内不断地全反射，而-1级光不断地从波导表面出射。光栅衍射的几何示意图，如图20中所示。由上述三式可以得出对于特定波长、波导介质以及光线入射角度，满足全反射条件的光栅周期应满足一定条件。全息光栅按照其结构可以分为透射型和反射型全息光栅，两者根本区别在于记录方式不同，即两束记录光的传播方向不同，从而造成记录材料内部干涉条纹面的不同取向。透射型全息光栅在记录时，物光和参考光是从记录介质的同侧进行入射，而反射型全息光栅在记录时，物光和参考光则是从记录介质的两侧相向入射。全息光栅根据记录介质的厚度与干涉条纹间距的相对厚度关系又可以分为面全息光栅和体全息光栅。面全息光栅与体全息光栅的评判标准用Q值来表征，当Q≥10时为体全息光栅，反之为面全息光栅。体全息光栅的微结构在体光栅的内部，所以其衍射主要是材料的体效应。当入射光满足布拉格条件时，体全息光栅会有极高的衍射效率，而如果偏离了布拉格条件，衍射效率则会迅速下降，这个特性使体全息光栅具有明显的角度和波长选择性。当用做耦合器件时，体全息光栅可以把波导中，具有特定波长和角度的光从波导中耦合出来，却又不会遮挡外界真实场景的视野，因此是一种理想的耦合器件。上述体全息光栅的制备过程仅适用于小批量验证，而对于大批量生产，则需要开发更加经济的方案，以Sony和DigiLens为代表的公司开发了体全息波导的加工工艺流程。如图 21 中展示了制备体全息波导的卷对卷（roll-to-roll）工艺。首先，使用双束干涉曝光法在附着在卷胶上的光敏聚合物膜内形成体全息波导；第二步，通过注射成型法形成高质量的环烯烃聚合物塑料波导。为了获得合格的图像，波导的翘曲必须小于5um，并且有效区域的厚度变化应小于1um。然后进行全息光学元件的转移工艺以将全息波导膜准确地与塑料波导对准粘贴；之后将塑料全息波导进行切割；最后在配色过程中，将红、蓝塑料波导与绿色塑料波导对准并用UV树脂将其封装固定。塑料基底在每次加工之前和之后都均应保持平坦是冲压和配色过程中都面临的挑战。　5、展望光学穿透式头戴显示（AR眼镜）作为AR技术的主要硬件载体，近年来，受到了科学界和产业界的广泛关注，所以本文对当前AR眼镜的光学显示方案，棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案以及光波导（Lightguide）方案都做了阐述。尤其是光波导方案作为现在AR眼镜的主流光学显示方案，文中采用了大量章节对几何光波导方案中偏振阵列光波导方案，以及衍射光波导方案中的表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案做了详细介绍，并展示了谷东科技的部分相关样品。偏振阵列波导方案具有轻薄、大眼动范围和色彩均匀性好的优点，但是由于偏振阵列波导本身工艺的复杂，在设计和加工均有很高的技术壁垒，如分光膜阵列镀膜工艺不够完善，分光面表面平整性、精度要求高，难以降低成本等。谷东科技在此领域深耕多年，完全实现了从设计到加工的自主化，率先在国内实现了偏振阵列波导的大规模量产。谷东科技从研发阶段开始就将工艺进行拆分细化，建立了一套保密可控的量产供应链体系，年产能已达10K片，真正实现了量产，也代表了偏振阵列波导技术新的发展里程碑。成熟的设计方案和大规模的量产能力使得偏振阵列波导方案在未来五年内都将是AR领域的主流方案。比如谷东科技的“七折叠、十二面体” 超短焦AR光学模组M3010系列产品，采用谷东科技自主研发的工艺流程方法，通过长时间的工艺实验制定了严格制程管控和测试标准，该光学模组的量产良率和成本均达到世界顶尖水平。体全息光栅波导方案利用全息光栅来作为光线的耦入/耦出装置，其将波导的全反射特性和全息光栅的衍射特性相结合，可实现大视场、大出瞳图像输出，从而被应用于新一代头盔显示系统中，而且其具有整体质量和体积更为紧凑的优点。相对于传统的阵列光波导中采用几何光学元件来作为光线的耦入/耦出装置，全息光波导可有效降低显示系统的厚度和重量。体全息光栅波导还具有色彩均匀性好和易于实现单片彩色波导的优势，此外，体全息光栅作为一种通过光学曝光得到的体全息光学元件，有着集成其他光学器件功能的可能性，比如可以将显示模组中的准直镜集成进来，使入耦合器同时具有耦合和准直的功能。但是其采用全息干涉曝光的方法进行波导片的加工，限制了其大规模的量产。同时，做大FOV需要叠加多层全息光栅，增加了工艺难度，做彩色波导片需要高密度的曝光材料，进一步增加了工艺难度。虽然体全息光栅波导技术还面临着各种难题，设计方案的进一步成熟和量产良率的提升预计还需要一定的时间，但是谷东科技公司积极开展部署体全息光栅波导设计研发以及制备，在设计与加工方面推动体全息光栅波导方案的发展。综上所述，偏振阵列波导方案和体全息光栅波导方案是目前两个最有前景的主流AR方案，一个代表着现在，一个代表着未来。谷东科技率先在国内实现偏振阵列波导的大规模量产，同时积极部署体全息光栅波导方案，希望为AR事业的发展尽力发光。免责声明：文章来源于网络，如有侵权请联系作者删除。 0 AR眼镜中的光学显示方案原理及其工艺全解析（1月9）.docx 1.2 MB , 下载次数: 27
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