AR眼镜用光波导最新技术分析-上篇

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一、 波导概述

AR眼镜用波导waveguide分几何反射光波导和光栅衍射光波导。

 

光波导的本质是 一片高折射率透明基底,从基底侧边通过特定结构耦合入图像源的光束,在基底内进行全反射传播,传递到靠近人眼处,再通过特定结构耦合出,进入人眼,形成图像。

 
 

图1

 
 

无论几何波导还是光栅波导,图像源和基底是相似的。图像源可以是各种类型的微显示如LCOS(硅上反射液晶),Micro-OLED,Micro-LED,也可以是激光结合微镜扫描LBS。基底通常选用高折射率的玻璃或树脂。通常选用玻璃,玻璃折射率更高,耐镀膜性能好,能够承受各类半导体蚀刻工艺。折射率高,意味着全反射角较小,可以容纳更多角度光线内部传输,意味着视场角FOV会较大。但玻璃也意味着重量较重。

 

几何波导和光栅波导的主要差异点在于耦入结构和耦出结构。从图1中,可以看出,耦入结构的作用是使得图像源的光线变换角度斜入射进入基底,满足全反射条件;耦出结构,是使得基底内部传输的该斜光线变换方向,垂直射出到人眼。各方案略有差别,但本质如上所述。

 

几何波导的耦入方式如图2,通常是图像源斜入射结合棱镜进入基底,耦出结构是一个个镀了不同配比的半透反膜,反射部分光线出,到人眼。透射部分光线继续内部传输,再次部分反射出,到人眼,形成扩瞳,即一定的眼动框eyebox。这一个个镀膜镜面需要精准控制位置角度和镀膜特性,导致了扩瞳困难,图像一致性难以保证,还有杂光和鬼影问题。几何波导里,涉及到的最重要公式就是反射定律:θ1=θ2  。请注意这个公式,角度的控制,仅与几何角度有关,使得图像显示颜色和细节相对来说更好控制。

 
 

图2

 
 

光栅衍射波导如图3,耦入和耦出结构都是一定周期和形态的光栅。光栅衍射有0级、±1级等等,不同级的角度不同,能量也不同。通过设置光栅的参数,可以使得光线能量大部分聚集于某一个角度的级次,实现了对光线方向的控制。衍射波导里面,涉及到的最重要公式是:mλ=d(sinα±sinβ),其中m是衍射光栅的光栅级次、λ是衍射波长、α是入射角、β是衍射角,d是光栅常数。从上述公式可以看出,光线的角度控制与波长密切相关,波长越长,衍射角度越大,同时各级次的衍射有共存性。对于全彩色画面来说,光源的红绿蓝三基色都有一定的光谱宽度,即使使用激光光源,波长仍有一定的范围,这意味光线偏离设计方向,导致色差、彩虹纹现象。同时各级次的共存导致漏光鬼影问题。

 
 

图3

 
 

二、 几何波导

几何反射波导,最早由以色列公司公司Lumus研发设计出来,并于2000年左右撰写了一系列经典专利,包含设计基本原理,各反射镜的镀膜要求,杂散光抑制和二维扩瞳方法,所有精髓尽在其中。到今天,20年的历程中,Lumus开发了一系列产品,主要销售给航空航天等领域,共计销售量25000多片。以Lumus在2021年5月份推出的最新一款,也是全球第一款二维扩瞳产品OE-Maximus为例,其FOV达到50度,分辨率达到2K,如图4

 
 

图4

 
 

OE-Maximus中光波导透明区的每一条暗条纹都对应一个镀膜面,横向扩瞳涉及14个,垂直耦出区涉及12个,这26个镀膜面镀膜特性都是不同的,是经过精心设计的。一层一层玻璃镀好膜,大片粘贴在一起,然后侧面斜切。最后拼接形成完整的耦入区、扩瞳区和耦出区的波导片,再与光学引擎结合在一起,构成完整的模组,如图5。

 
 

图5

 
 

最早Lumus推出的是一维扩瞳产品,镀膜面数目相对较少,但是为保证合理的眼动框,光学引擎需要做得很大,不利于眼镜集成。到目前为止,一维扩瞳产品依然是Lumus主力销售产品,但由于工艺复杂,一致性较差,综合性能不高,仅在有限领域获得应用。二十年两万多个模组的销量,是官方数据,侧面也印证了几何波导尚待继续突破。

 
 

图6

 
 

OE-Maximus实际成像的拍照如图6,存在明显畸变,中心区域清晰度不错,边缘清晰度不高,画面亮度均匀性也不是很理想,存在暗角。这已代表当下最高水平的几何波导。为什么这么难做,下文从几何波导涉及的核心工艺,镀膜和拼接讲起。

 

几何波导的各反射镜镀膜,一方面要控制反射率,保证在不同镜面出反射的光强接近相同,使得眼动空框内的光强分布均匀;另一方面,要控制不同角度的透反特性。如图所示,波导内部传输的光线方向有两种,一种是32,一种是36,对于32光线,要使其以一定比例反射;对于36光线,使其尽可能100%透射,否则会形成杂散光。32和36光线的区别在于入射角度。所以要设计特殊镀膜层,对于一定范围内低角度入射,实现高反射,而对高于一定角度的入射光线呈现0反射即高透射,如图7。此外,从典型镀膜的波长透反曲线可以看到,在允许反射的不同角度区间对应的反射率并相同,这也导致了眼动框内出光均匀性控制好是非常困难的。

 
 

图7

 

几何波导如果采用一个个小玻璃棱镜分别镀膜再粘接,效率和良率会非常低,所以通常会采用另一种方式,由大片玻璃先镀特定膜,再互相粘贴在一起,然后斜切割,抛光,形成波导片。这个工艺对玻璃的粘贴平整度、强度和精准度要求依然很高,如图8

 
 

图8

 
 

综合来看,几何波导存在五大问题需要解决:

1、垂直耦出区和横向扩瞳区的反射面暗纹肉眼可见,做成眼镜,外观和普通眼镜有明显差距。阵列波导镜片有耦出杂散光,导致外漏光,影响用户体验。

 

 
 

2、横向扩瞳区占用了较大可视区光学面积,限制了眼动框Eyebox的进一步增大,条纹也影响了波导片的外观。

 
 

 
 

3、多个不同反射面的精准镀膜,工艺要求极高,易产生杂光鬼影。

 

4、玻璃贴合、切割的结构精确度、平整度要求极高,对画质影响大。

 

5、即使采用二维扩瞳,眼动框内的画面亮度色彩均匀性也达不到较高水准。

 

鸿蚁光电结合特定B端领域的市场需求,将于2021年下半年推出几何波导产品RW0225,如下图。该产品创新性地结合了折叠光路和高亮度Micro-OLED,使得耦入光学引擎体积更小,图像质量更好。

 
 

 
 

 
 
 

 

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2021年6月24日 12:16
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