AR光學(xué)構(gòu)成
在上篇文章中,我們了解了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一些光學(xué)基礎(chǔ)知識。在此基礎(chǔ)上,本篇文章將簡要總結(jié)AR光學(xué)的核心構(gòu)成。我們在從光學(xué)角度來看,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)顯示器可以基本上分為三個(gè)基本組件:光引擎(Light engine)、成像光學(xué)(Imaging optics)和耦合器(Combiner)。光引擎負(fù)責(zé)產(chǎn)生并空間調(diào)制形成虛擬圖像的光。一旦光被生成,它會通過成像光學(xué),產(chǎn)生準(zhǔn)直(或幾乎準(zhǔn)直)的光束,使得放松的眼睛能夠聚焦到虛擬圖像上。在光到達(dá)眼睛之前的最后一個(gè)組件:耦合器。它的主要功能是允許環(huán)境中的光傳播到眼睛,同時(shí)提供一個(gè)傳導(dǎo)路徑,將成像光學(xué)中的光引導(dǎo)到眼睛中。如果耦合器具有光學(xué)曲率,它還承擔(dān)一部分成像光學(xué)的發(fā)揮作用。在AR光學(xué)顯示上,這三個(gè)組件的示意圖如圖1所示。
圖1
圖片來源:Springer Handbook of AR
AR光引擎
正如我們所討論的,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)顯示器其中一個(gè)核心光學(xué)組件是光引擎。這個(gè)組件可以簡單歸納為兩種形式:
1.微型數(shù)字顯示器(也稱為微顯示器)。
2.單一光源,在眼睛的視場(FOV)上快速掃描。
首先,我們將分析微顯示器及其在AR顯示的一階光學(xué)計(jì)算中所起的關(guān)鍵作用。成像光學(xué)的視場和焦距與微顯示器的物理尺寸之間存在關(guān)系,可以用以下方程表示:
其中,h 是微顯示器的半對角線,f 是成像光學(xué)的焦距,θ是視場的半對角線。對于給定的視場,光學(xué)系統(tǒng)的物理尺寸與焦距成比例;因此,緊湊型光學(xué)系統(tǒng)更匹配短焦成像光學(xué)。較小的焦距會伴隨使用較小的微顯示器,這對于封裝體積是有利的。然而,考慮到眼睛孔徑是相對不變的,緊湊型光學(xué)系統(tǒng)也需要在尺寸與成像效果中找到平衡,因?yàn)檩^小的焦距會導(dǎo)致更小的光圈數(shù)。在更小的光圈數(shù)下工作可能需要額外的光學(xué)元件來校正像差。微顯示器尺寸的另一個(gè)主要權(quán)衡在與分辨率。小尺寸的微顯示器在光學(xué)系統(tǒng)中會限制角分辨率,因?yàn)閷τ陲@示屏技術(shù),可以封裝到給定微顯示器尺寸中的像素?cái)?shù)量往往受限。
根據(jù)顯示光源的來源,光引擎可以簡單分為自發(fā)光和外部照明。在自發(fā)光微型顯示器中,像素在不使用外部光源的情況下工作。自發(fā)光微型顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)是其操作的簡單性和緊湊的封裝。目前,主流的光引擎技術(shù)包括液晶硅(LCoS)、數(shù)字光處理(DLP)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、微型LED(Micro-LED)以及激光束掃描(LBS)。其中LCoS和DLP是光調(diào)制顯示器,為外部照明微顯技術(shù)。OLED與Micro-LED則為自發(fā)光微型顯示器。LBS則為單一光源,通過在人眼視場中快速掃描,利用人眼具有視覺暫留現(xiàn)象,最終形成畫面。
LCoS
圖2
圖片來源:Springer Handbook of AR
LCoS利用電壓誘導(dǎo)的液晶重定向來調(diào)制入射光的偏振狀態(tài),同時(shí)使用像素化的金屬鏡面來反射調(diào)制后的光。像素化的反射可以通過在通過分析器或偏振分束器(PBS)后將相位延遲轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制來獲得(如圖2)。
DLP
圖3
圖片來源:LightGate
與LCoS不同,DLP的核心為一個(gè)DMD芯片,每一個(gè)像素均依靠擺動的微振鏡將入射光引導(dǎo)到兩個(gè)不同的方向,分別對應(yīng)開和關(guān)狀態(tài)。DLP的光學(xué)原理可參考圖3。
LBS
圖4
圖片來源:Springer Handbook of AR
使用微型顯示器的一種替代方案是采用激光束掃描系統(tǒng)(LBS)。不同于微型數(shù)字現(xiàn)實(shí)器,LBS屬于單一光源在視場中快速掃描成像的光引擎在LBS系統(tǒng)中,一個(gè)靜止的準(zhǔn)直激光入射到一個(gè)二維(X/Y)掃描系統(tǒng)上,該系統(tǒng)通常由一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡組成。鏡子的旋轉(zhuǎn)使得激光可以被重新定向到一系列角度,這些角度直接與視場(FOV)相關(guān)(如圖4)。
對于Micro-LED微顯示器,由于其Lambertian角分布,通常比LCoS具有更大的發(fā)射度。為了縮小Micro-LED的發(fā)散角,一種直接的方法是引入像素級準(zhǔn)直微透鏡陣列,但挑戰(zhàn)有兩個(gè)方面:制造工藝和光學(xué)串?dāng)_。此外,Micro-LED的發(fā)射區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)小于像素區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)高效的光收集。為了提高像素密度,許多廠家已經(jīng)展示了使用三面合束棱鏡Micro-LED的全彩光引擎如圖5。而MIT則使用二維材料層轉(zhuǎn)移展示了每英寸5100 ppi的垂直堆疊Micro-LED如圖6。前者的挑戰(zhàn)在于需要高精度的像素對準(zhǔn),而后者則犧牲了顯示亮度(由于藍(lán)色和綠色吸收體)并需要RGB LED的外延生長。另一種有前景的自發(fā)光顯示是硅基OLED。然而,其亮度和分辨率密度是目前其在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的瓶頸。
作為單一光源掃描光引擎,LBS可以省略成像光學(xué)元件,但代價(jià)是受限的刷新率和分辨率。并且,由于柵格掃描,閃爍和圖像模糊將成為LBS顯示難以避免的問題。高Q值MEMS諧振器有助于緩解這些問題??偟膩碚f,激光背光的LCoS很可能成為實(shí)現(xiàn)高效率和高分辨率波導(dǎo)型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的有力競爭者。硅基Micro-LED需要進(jìn)一步發(fā)展定向角分布和小型全彩像素尺寸,以為高亮度和高分辨率的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示鋪平道路。要與LCoS和Micro-LED競爭,LBS需要在刷新率和分辨率上進(jìn)行重大改進(jìn)。
圖5 圖片來源:水晶自研Micro-LED光引擎
圖6
圖片來源:Vertical full-colour micro-LEDs
via 2D materials-based layer transfer
AR光學(xué)耦合器
在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)顯示中,光學(xué)耦合器是另一個(gè)關(guān)鍵的光學(xué)組件,它作為用戶直接感知數(shù)字內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的接口。AR系統(tǒng)的光學(xué)耦合器可以廣泛分為兩類:自由空間耦合器和波導(dǎo)耦合器。
波導(dǎo)中的光被全反射(TIR)過程所限制和引導(dǎo),波導(dǎo)可以是玻璃或光學(xué)塑料。與波導(dǎo)相反,自由空間是指光在空間中自由傳播的情況,關(guān)于自由空間耦合器,已經(jīng)開發(fā)了多種光學(xué)系統(tǒng),包括單片自由形部分、BirdBath、輔助自由形透鏡、麥克斯韋式顯示等。
由于目前波導(dǎo)耦合器在多方位展現(xiàn)出優(yōu)越的性能,我們會更詳細(xì)的介紹運(yùn)用在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的波導(dǎo)。根據(jù)光線傳導(dǎo)方式,波導(dǎo)耦合器可以分為兩類:衍射和反射。在反射波導(dǎo)合成器中,射線的入射過程是通過使用反射鏡或折射棱鏡來完成的,而光線傳播以及出射過程是通過部分鏡面陣列實(shí)現(xiàn)的(圖7a)。關(guān)于衍射波導(dǎo)耦合器(圖7b),衍射耦合器是衍射光學(xué)元件,大多數(shù)情況下包含光柵。按光柵類型主要有四種衍射波導(dǎo)耦合器:表面浮雕光柵(SRG)、體全息光柵(VHG)、偏振體光柵(PVG)和超表面衍射波導(dǎo)。前兩種衍射波導(dǎo)已廣泛應(yīng)用于商業(yè)AR產(chǎn)品后兩種衍射目前正在積極開發(fā)中,顯示出未來產(chǎn)品的巨大潛力。
然而,隨著所需視場(FoV)的增加,所有光耦合器變得更大、更笨重。這對于近眼顯示來說是一個(gè)主要的缺點(diǎn),因?yàn)轭^戴式顯示器需要盡可能輕便和緊湊。此外,這些設(shè)計(jì)中用于查看圖像的眼動范圍很小。因此,光學(xué)系統(tǒng)的性能對光學(xué)模塊相對于觀察者眼睛的微小移動非常敏感,對于具有不同瞳孔間距(IPD)的不同用戶來說也不方便。
為此,多種不同類型的出瞳擴(kuò)展和瞳孔導(dǎo)向方法被開發(fā)出來,特別是針對光場顯示器和波導(dǎo)顯示器。然而,光場顯示器的一個(gè)最大問題仍然沒有解決,即當(dāng)瞳孔移動到不同的視野窗口位置或眼球進(jìn)行掃視時(shí)的像差。另一方面,波導(dǎo)顯示的出瞳擴(kuò)展過程在技術(shù)上非常自然,正如第上述所討論的那樣。波導(dǎo)耦合器可以在保持大的視場的同時(shí)保持大的視野窗口,外形也很纖薄。因此,在如今增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展中,波導(dǎo)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。
圖7 波導(dǎo)耦合器示意圖
(a)反射光波導(dǎo)示意圖
(b) 衍射光波導(dǎo)示意圖
圖片來源:Waveguide-based-AR-perspectives-and-challanges
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原文標(biāo)題:水晶技術(shù)之元宇宙系列| 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)——光學(xué)技術(shù)的未來視界(PartⅡ)
文章出處:【微信號:zjsjgd,微信公眾號:水晶光電】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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