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一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术——光波导屏蔽材料应用

Time:2022-01-16Number:1370

光波导,因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。
 
那么,光波导的工作原理是怎样的?市面上林林总总的阵列光波导、几何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么不同?它又是如何一步步改变AR眼镜市场格局的?我们更看好哪一种光波导技术,为什么?

接下来,就让Rokid R-lab光学研究科学家、美国加州伯克利大学电子工程系博士李琨为你娓娓道来。
 
一、光波导,一个应AR眼镜需求而生的光学方案

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域,它们的近眼显示系统都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。
 
不同之处在于,AR眼镜需要透视(see-through),既要看到真实的外部世界,也要看到虚拟信息,所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(optical combiner),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”。
 
 
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图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼显示系统的示意图; (b) 增强现实(AR)近眼显示系统的示意图。NED:近眼显示(Near-eye display,简称NED)
 
AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说,目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合,其中光学组合器的不同,是区分AR显示系统的关键部分。
 
微型显示屏,用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件,比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED,也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS),还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。
 
这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产品举例:
 
 
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很显然,完美的光学方案还没有出现,才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的状态,这需要AR眼镜的产品设计者依据应用场景、产品定位等来做权衡取舍。

我们认为,光波导方案从光学效果、外观形态,和量产前景来说,都具备[敏感词]的发展潜力,可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。

二、光波导是如何工作的

在上述光学成像元件中,光波导屏蔽材料技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件,因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产,关于光波导的讨论热度也在持续增加。
 
其实,波导技术并不是什么新发明,我们熟悉的光通信系统中,用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆,就是波导的一种,只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。
 
在AR眼镜中,要想光在传输的过程中无损失无泄漏,“全反射”是关键,即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。

简单来说达到全反射需要满足两个条件:
(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1> n2); 
(2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc。
 
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