AR陣列波導設計與制造 上篇

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分享鴻蟻光電自研AR幾何陣列反射波導的設計與制造,全文分上下兩篇:上篇著重介紹原理設計,下篇介紹樣品制作和測試。

作者簡介:

逄錦超:畢業于清華大學精儀系。碩士期間從事閃耀光柵及高分辨率光譜儀的研究,畢業后在世界頂級公司負責多種成像光學系統開發,在光學領域積累了豐富的理論和實踐經驗。目前是鴻蟻光電公司的合伙人,擔任研發總經理。他在鴻蟻主導完成了多款低成本、高性能的AR/VR 光學模組。

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AR陣列光波導設計主要分為:波導片設計,光學引擎設計兩大部分。其中波導片是光瞳復制和擴展模塊,其主要又可分為三部分:耦入區域,傳播區域和耦出區域,圖1是AR陣列波導片的簡易示意圖。

圖1

一、波導片設計

波導片的設計是AR陣列光波導中最核心的部分,也是設計過程中需要優先考慮的部分。下面將逐一分析陣列波導片三塊區域的功能和特點,以及如何確定其關鍵參數。

(1)耦入區域

在陣列光波導中轉折棱鏡有兩方面主要作用,一是轉折光路讓整個視場能夠在波導片內部進行全反射傳導,二是通過一定設計避免“暗帶”的出現。

(1.1)全反射傳導

如圖2所示,為了提高陣列光波導的能量利用效率,保證光線在波導片中傳播時以全反射的方式進行,入射角度θ5需要大于等于θTotalR,其中θTotalR是折射率為n3的材料的全反射臨界角度。

圖2

一般情況下,棱鏡和波導片會選擇相同的材料n2=n3,假設陣列波導片FOV為±θmax,所以根據折反射定律和幾何規律,如圖3可得波導片模組FOV和棱鏡折射率關系為:

圖3

根據(1)—(4)式可得關系式:

所以要保證光線能夠在波導片中全反射傳播,陣列波導片的最大角度θmax與合角應滿足公式(5)。

(1.2)棱鏡耦合實現更大FOV的全反射傳播

如圖4所示相同視場條件下,沒有棱鏡時光線在波導片上的入射角為θr1,有棱鏡時光線在波導片上的入射角為θr2,根據光線折反定律和相應的幾何關系可得θr1<θr2,因此可推得在相同材料情況下,轉折棱鏡能夠保證更大視場的光線在波導片中全反射傳播,即陣列光波導有更大的理論視場。

圖4

(1.3)轉折棱鏡角度確定

陣列波導片如果沒有棱鏡耦合,光學引擎直接與波導片連接,如圖5所示,為了盡量減小色差一般0°視場會設計垂直照射在耦合斜面上,所以可得:

圖5

θin是中心視場在波導片上的反射角度,為了保證整個視場的全反射傳播,一般所以對于邊緣 視場在波導片上的反射角度按這一角度關系會有一段暗帶出現,如圖6所示:

圖6

另外,即使添加了轉折棱鏡,如果設計不當也有可能造成暗帶,如圖7所示。

圖7

圖6,圖7所示黃色區域即是沒有光線傳播的區域,在陣列波導中會顯示為暗帶,影響視覺佩戴體驗。

為解決暗帶問題,添加轉折棱鏡后,需要滿足以下條件:

同時根據折反射定律以及相應的幾何關系,可得:

其中d是波導片厚度,通過(7)~(11)就可將轉折棱鏡的參數確認,如圖8。

圖8

(2)傳播區域設計

(2.1)波導片材料選擇

如前所述,光線在波導片內傳輸是通過全反射實現的,所以在選擇材料時,需要通過計算反推出能夠實現全視場全反射的折射率,然后根據該折射率選取合適的材料。如圖9所示,為了滿足整個視場均能在波導片中全反射傳播,折射率與最大視場需要滿足以下關系:

反射角度取極值可得對應材料n的條件下,陣列波導片的最大視場角為:

圖9

(2.2)傳播區域波導片尺寸計算

對于波導片傳播區域的長度L2,設計時需要著重考慮兩點,一是為了保證陣列波導片的可配戴性和舒適性,在設計時需要根據光學引擎的特點來確定陣列光波導片L2的最小值Lmin,二是,如果陣列光波導片只是一維擴瞳,還必須根據Eyebox需求確定L2的最大值Lmax。根據圖九,Lmax可以根據如下公式來進行確定。

其中L1是光學引擎與耦合棱鏡的距離,L3是反射波導片的總長度,L4是Eyerelief的長度,是等效系數,由于光線實際在波導片中是折線前進,因此需要經過換算出實際的光學長度。

是光線在波導片中傳播時的最小全反射角度,d是波導片的厚度。

(3)耦出區域設計

陣列波導片中,中心光線,即FOV 0°視場的光線一般情況下是垂直于波導片底面射出的,如圖10所示:

圖10

其中如前所述,為了減小色差,中心光線垂直入射在耦合棱鏡上,所以根據幾何關系可得:

然后根據幾何光學傳播定律可得:

根據式(17)~(20)得:

同時為了保證波導片透過率均勻,相鄰波導片上下頂點的連線,如AB應該垂直于波導片底面,所以:

如圖11,如果未滿足式22可能造成的影響,其中(a)圖中的D區域沒有經過反射鍍膜區域,因此相比C區域和E區域,D區域看外界會更亮,(b)圖中G區域經過兩次反射鍍膜區域,因此相比F區域和H區域,G區域看外界會更暗,這兩種情況都會造成佩戴眼鏡時,感到外界明暗相間的體驗。

圖11

(4)反射波導片的鍍膜設計

耦出區域波導片在鍍膜設計時需要考慮兩方面,一是為了實現均勻的畫質亮度一定要根據波導片的片數和總的能量效率來制定每一片波導片的反射和透過效率,二是如前述文章“AR眼鏡用光波導最新技術分析-上篇”所述,為了消除雜散光,波導片的膜層要具有“挑選性”,即在要求角度范圍內能夠實現部分反射部分透射,而在另一部分角度范圍內實現全透射。

假定反射波導片有n片,每一片的反射率分別為r1,r2,r3……rn,則每一片波導片的反射能量,即耦出圖片在不同位置的能量分布為:

相對應的在不同位置陣列波導片的透過率為:

整體而言波導片亮度均一性越高,對鍍膜的要求越高,具體需要根據實際使用場景和需求參照(23)~(30)式進行設計。

如前述文章中所提,為了減小雜散光,部分大角度入射的光線需要直接透射而不是反射,根據光線的幾何傳播規律,具體角度范圍可根據下述公式進行計算:

其中是在波導片中傳播時整個FOV內的光線的角度,其取值范圍如下:

根據式(31)~(32)可得大角度透射的范圍。同時需要注意耦出角度,即FOV內的光線能正常反射,所以還需要滿足以下關系式:

圖12中n3代表的是膜層或膠層的折射率,由于透射角度的數值一般較大,為了防止這些光線發生全反射的現象,在選取波導片材料以及鍍膜和膠層材料時,折射率最好滿足下式:

至此整個波導片的設計基本完成。

圖12

二、光學引擎的設計

如圖13,光學引擎實際上是一個準直光路的設計,通過將圖像源光線準直成不同FOV的平行光線,然后再通過耦合棱鏡耦入到波導中進行傳播。

圖13

光引擎在設計中,要注意有部分出瞳距離要與波導片中的傳播路徑進行等效,如圖14,等效光路是一塊與波導片折射率相同的平板,長度值為上述波導片中光線在波導片內的傳播長度。

圖14

結語

寧波鴻蟻光電匯聚了多名來自國內外的頂級光學技術專家,在波導研發設計、工藝等領域做了大量研究和探索。本文分享了公司在長期實踐中總結的相關AR陣列光波導設計思路以及參數確認方法,希望對行業有所啟發和推動。

 

 

2021年8月26日 09:54
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