AR眼鏡用光波導最新技術分析-上篇

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一、 波導概述

AR眼鏡用波導waveguide分幾何反射光波導和光柵衍射光波導。

 

光波導的本質是 一片高折射率透明基底,從基底側邊通過特定結構耦合入圖像源的光束,在基底內進行全反射傳播,傳遞到靠近人眼處,再通過特定結構耦合出,進入人眼,形成圖像。

 
 

圖1

 
 

無論幾何波導還是光柵波導,圖像源和基底是相似的。圖像源可以是各種類型的微顯示如LCOS(硅上反射液晶),Micro-OLED,Micro-LED,也可以是激光結合微鏡掃描LBS?;淄ǔ_x用高折射率的玻璃或樹脂。通常選用玻璃,玻璃折射率更高,耐鍍膜性能好,能夠承受各類半導體蝕刻工藝。折射率高,意味著全反射角較小,可以容納更多角度光線內部傳輸,意味著視場角FOV會較大。但玻璃也意味著重量較重。

 

幾何波導和光柵波導的主要差異點在于耦入結構和耦出結構。從圖1中,可以看出,耦入結構的作用是使得圖像源的光線變換角度斜入射進入基底,滿足全反射條件;耦出結構,是使得基底內部傳輸的該斜光線變換方向,垂直射出到人眼。各方案略有差別,但本質如上所述。

 

幾何波導的耦入方式如圖2,通常是圖像源斜入射結合棱鏡進入基底,耦出結構是一個個鍍了不同配比的半透反膜,反射部分光線出,到人眼。透射部分光線繼續內部傳輸,再次部分反射出,到人眼,形成擴瞳,即一定的眼動框eyebox。這一個個鍍膜鏡面需要精準控制位置角度和鍍膜特性,導致了擴瞳困難,圖像一致性難以保證,還有雜光和鬼影問題。幾何波導里,涉及到的最重要公式就是反射定律:θ1=θ2  。請注意這個公式,角度的控制,僅與幾何角度有關,使得圖像顯示顏色和細節相對來說更好控制。

 
 

圖2

 
 

光柵衍射波導如圖3,耦入和耦出結構都是一定周期和形態的光柵。光柵衍射有0級、±1級等等,不同級的角度不同,能量也不同。通過設置光柵的參數,可以使得光線能量大部分聚集于某一個角度的級次,實現了對光線方向的控制。衍射波導里面,涉及到的最重要公式是:mλ=d(sinα±sinβ),其中m是衍射光柵的光柵級次、λ是衍射波長、α是入射角、β是衍射角,d是光柵常數。從上述公式可以看出,光線的角度控制與波長密切相關,波長越長,衍射角度越大,同時各級次的衍射有共存性。對于全彩色畫面來說,光源的紅綠藍三基色都有一定的光譜寬度,即使使用激光光源,波長仍有一定的范圍,這意味光線偏離設計方向,導致色差、彩虹紋現象。同時各級次的共存導致漏光鬼影問題。

 
 

圖3

 
 

二、 幾何波導

幾何反射波導,最早由以色列公司公司Lumus研發設計出來,并于2000年左右撰寫了一系列經典專利,包含設計基本原理,各反射鏡的鍍膜要求,雜散光抑制和二維擴瞳方法,所有精髓盡在其中。到今天,20年的歷程中,Lumus開發了一系列產品,主要銷售給航空航天等領域,共計銷售量25000多片。以Lumus在2021年5月份推出的最新一款,也是全球第一款二維擴瞳產品OE-Maximus為例,其FOV達到50度,分辨率達到2K,如圖4。

 
 

圖4

 
 

OE-Maximus中光波導透明區的每一條暗條紋都對應一個鍍膜面,橫向擴瞳涉及14個,垂直耦出區涉及12個,這26個鍍膜面鍍膜特性都是不同的,是經過精心設計的。一層一層玻璃鍍好膜,大片粘貼在一起,然后側面斜切。最后拼接形成完整的耦入區、擴瞳區和耦出區的波導片,再與光學引擎結合在一起,構成完整的模組,如圖5。

 
 

圖5

 
 

最早Lumus推出的是一維擴瞳產品,鍍膜面數目相對較少,但是為保證合理的眼動框,光學引擎需要做得很大,不利于眼鏡集成。到目前為止,一維擴瞳產品依然是Lumus主力銷售產品,但由于工藝復雜,一致性較差,綜合性能不高,僅在有限領域獲得應用。二十年兩萬多個模組的銷量,是官方數據,側面也印證了幾何波導尚待繼續突破。

 
 

圖6

 
 

OE-Maximus實際成像的拍照如圖6,存在明顯畸變,中心區域清晰度不錯,邊緣清晰度不高,畫面亮度均勻性也不是很理想,存在暗角。這已代表當下最高水平的幾何波導。為什么這么難做,下文從幾何波導涉及的核心工藝,鍍膜和拼接講起。

 

幾何波導的各反射鏡鍍膜,一方面要控制反射率,保證在不同鏡面出反射的光強接近相同,使得眼動空框內的光強分布均勻;另一方面,要控制不同角度的透反特性。如圖所示,波導內部傳輸的光線方向有兩種,一種是32,一種是36,對于32光線,要使其以一定比例反射;對于36光線,使其盡可能100%透射,否則會形成雜散光。32和36光線的區別在于入射角度。所以要設計特殊鍍膜層,對于一定范圍內低角度入射,實現高反射,而對高于一定角度的入射光線呈現0反射即高透射,如圖7。此外,從典型鍍膜的波長透反曲線可以看到,在允許反射的不同角度區間對應的反射率并相同,這也導致了眼動框內出光均勻性控制好是非常困難的。

 
 

圖7

 

幾何波導如果采用一個個小玻璃棱鏡分別鍍膜再粘接,效率和良率會非常低,所以通常會采用另一種方式,由大片玻璃先鍍特定膜,再互相粘貼在一起,然后斜切割,拋光,形成波導片。這個工藝對玻璃的粘貼平整度、強度和精準度要求依然很高,如圖8。

 
 

圖8

 
 

綜合來看,幾何波導存在五大問題需要解決:

1、垂直耦出區和橫向擴瞳區的反射面暗紋肉眼可見,做成眼鏡,外觀和普通眼鏡有明顯差距。陣列波導鏡片有耦出雜散光,導致外漏光,影響用戶體驗。

 

 
 

2、橫向擴瞳區占用了較大可視區光學面積,限制了眼動框Eyebox的進一步增大,條紋也影響了波導片的外觀。

 
 

 
 

3、多個不同反射面的精準鍍膜,工藝要求極高,易產生雜光鬼影。

 

4、玻璃貼合、切割的結構精確度、平整度要求極高,對畫質影響大。

 

5、即使采用二維擴瞳,眼動框內的畫面亮度色彩均勻性也達不到較高水準。

 

鴻蟻光電結合特定B端領域的市場需求,將于2021年下半年推出幾何波導產品RW0225,如下圖。該產品創新性地結合了折疊光路和高亮度Micro-OLED,使得耦入光學引擎體積更小,圖像質量更好。

 
 

 
 

 
 
 

 

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2021年6月24日 12:16
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