增强现实设备依赖于光波导技术:如何测量光波导光性能

话题:
作者:
Anne Corning

透明性是增强现实和混合现实(AR/MR)设备的一个共同关键特征,这使AR/MR设备区别于虚拟现实(VR)设备。VR设备的标志性特征是其将穿戴者的视野完全包含在头戴式设备中,以创建身临其境的虚拟环境。相比之下,AR/MR智能眼镜和头戴式设备将图像投射到透明的显示表面上,以使穿戴者能够透视现实世界。

光波导技术在AR/MR设备中的应用

光波导是AR/MR设备用于实现增强可视化效果的主要技术。光波导组件由具有特定透光性的透明玻璃或塑料薄片制成。光波导现已是一个很成熟的概念,被广泛用于多种技术应用,比如光纤、LED背光、全息影像等。在所有应用中,光波导均用于“引导”特定方向、形状或图案的电磁波。

在近眼设备(NED)中,光波导可帮助将光线弯曲和组合,以将光线导向穿戴者眼中,并创建叠加在环境中的虚拟图像,供穿戴者观看。光波导通过全内反射(TIR)机制传播光场,在光波导层的内外边缘之间反射光线,几乎没有漏光发生。

Waveguide schematic_TIR

AR设备全内反射(TIR)机制示意图:平面玻璃光波导层通过输入耦合器(入射光瞳)接收光线,并在该层的边缘之间反射光线,不会发生光损失(漏光)现象,直至到达输出耦合器(出射光瞳)。(图片 来源

头戴式VR设备可以显示来自直接放置在穿戴者前面的投影仪或成像系统的图像,而AR/MR设备则需要“透视”功能。“成像系统不能挡住前方视线,因此需要一个或多个额外的光学元件构建‘光学组合器’。光学组合器在将外部光线传输到人眼的同时反射虚拟图像,将虚拟内容叠加在现实场景之上,以使其相互补充和‘增强’”。1  

在NED设备中,光波导技术使用“隐藏在视线之外的图像投影仪将图像投影到显示镜头的较小外围区域,然后将其沿镜头传播到人眼前方的提取点”。2 本质上,光波导充当“透明潜望镜,仅有一个入射光瞳,但通常有许多出射光瞳”。3

Compare VR and AR optics

VR设备(左)与AR设备(右)的配置比较:VR设备将显示器和光学模块(透镜、投影仪、不透明显示表面)直接置于用户视野中;而AR设备则采用透明光学组合器(光波导)同时接收来自显示器和现实世界的光线输入,并将其进行合成,为用户呈现完全融合的场景。

光波导技术的采用

为了在消费市场上获得吸引力,AR/MR设备必须提供具有较大视场(FOV)的高质量图像,并且外形紧凑,确保重量或体积最小化。虽然市场上有许多类型的光学组合器,但迄今为止,光波导技术是唯一能够在微型封装中实现AR设备所需的视觉质量的光学组合器。4光波导已成为当前已正式上市的许多AR设备的关键组件,包括HoloLens、Magic Leap等。

AR/VR设备的采用率一直呈现增长趋势,并且据预计将以4.3%的复合年增长率(CAGR)加速增长,2020年行业总收入为176.7亿美元,到2028年将超过260亿美元。5其中,智能眼镜等头戴式设备(HMD)约占该市场65%的份额6 。AR/MR设备在医疗保健、施工和建筑、教育及导航领域的应用正在帮助推动AR/MR设备的普及,并促进光光波导技术的持续发展。

光波导结构

AR/MR设备中使用的光波导通常由玻璃基板制成,其厚度范围从亚纳米到几纳米不等。光波导和耦合器架构的变化以及表面光栅或涂层的应用使开发人员能够创建几乎无限类型的光波导结构,以满足不同的用途。“光波导组合器的核心由输入耦合器和输出耦合器组成。这些耦合器可以是简单的棱镜、微棱镜阵列、嵌入式反射镜阵列、表面浮雕光栅、薄或厚的模拟全息光栅、超表面或共振波导光栅”7,以及分束器、弯曲合成器或自由形态光学元件,所有这些都具有特定的优点和局限性。将多个光波导组合器进行堆叠,可以传播更宽视场的增强彩色图像。

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多层光波导示意图:每个光波导组合层传输光波长光谱的一部分(红色、绿色、蓝色)。每层之间的气隙产生所需的全内反射(TIR)条件,并允许潜在的额外光谱或偏振滤波。(图片来源: AR VR Journey

以下四种主要类型的光波导通常用于目前的HMD系统,以实现AR/MR应用:

反射型 – 使用模制塑料基板引导光波,并在人眼前方放置半反射镜。图像在微型显示器上生成,由准直透镜放大,“准直光波通过光波导传输到半反射镜。最后,人眼将同时看到反射到镜子上的图像”8和现实世界。谷歌眼镜和Epson的Moverio设备均使用反射型光波导结构。

偏振型 – 也称为半透反射型,偏振光波导需要使用多层涂层和偏振反射器,它们平行排列对位,并进行抛光处理,以有效地引导光波。Lumus公司在其推出的透视型AR产品中使用这种光波导结构。

衍射型 – AR显示器领域使用最广泛的光波导结构。由于采用倾斜光栅(称为输入耦合器),入射光波以一定的角度进入光波导装置。光线通过光波导进行传输,并通过第二个倾斜光栅(即输出耦合器)在出射光瞳位置被提取。输入耦合器和输出耦合器通常由带有倾斜光栅的衍射光学元件(DOE)制成。Vuzix Blade智能眼镜、微软HoloLens和Magic Leap One均使用衍射光波导结构。

全息型 – 这种类型的光波导结构类似于衍射光波导,将全息光学元件(HOE)用作输入耦合器和输出耦合器,代替衍射光学元件(DOE)。HOE可以反射单色或多色(RGB)光波。HOE 是在全息记录过程中使用激光照射以一定的入射角制成的。

waveguide structures

AR/MR设备中的部分常见光波导结构示意图及光栅结构的相应图片:(a)偏振型(半透反射型),(b)衍射型,采用表面光栅,以及(c)全息型(采用体积全息光栅的衍射光波导结构)。(图片来源: AR VR Journey

任何衍射光波导的核心元件在于光栅——其定义为“周期性光学结构,其周期性可以由材料表面上的凸峰和凹谷表示,也可以由全息技术中的激光干涉形成的‘明/暗’条纹表示。9 

测量AR/MR设备的光波导组件性能

当光线通过透镜、光波导等光学组件被引导时,光线总是会以某种方式受到这些光学组件物理特性的影响。在来自AR光波导的光线到达人眼之前,它已经通过光学结构反射了很多次,这取决于入射角和反射角、光栅的衍射效应以及许多其他因素。此过程对光学效率具有一定的影响,这意味着光能从源显示器传播到人眼时将会减少。

这种效应可能会导致人类观看者感知到虚拟图像的亮度、对比度和清晰度较差。在透视型NED设备的设计中,控制图像质量尤为重要,其中叠加图像必须在一系列不同的环境照明条件下均对用户可见且清晰。衍射光波导容易出现灰度图像色调问题,导致图像中的亮度(照度)和色彩(色度)不均匀。

diffractive waveguide projection_checkerboard

来自衍射光波导的投影在中等灰度像素上呈现出亮度和色调不均匀性。(图片 来源)。

最近的一项研究10 表明,根据不同的入射角,甚至是光光波导表面的轻微粗糙度也会导致显示器的图像质量降低,这是通过MTF(调制传递函数)分析测得的。

waveguide MTF

图像来自一项有关不同的入射角对光波导表面影响的研究。(a)和(b)的入射角分别为65°和75°。灰度图像(c)和(d)对应于图像(a)和图像(b)。在区域(e)和(f)中计算MTF。(图像 来源

一种可用于在开发过程中测试光波导性能的方法是通过光波导投射来自光源或图像生成单元(PGU)的光线。然后可以评估所生成图像的各种参数,比如亮度、色度、均匀性和清晰度。色度测量成像系统是用于采集绝对测量值的有效工具,有助于指导光学设计。瑞淀的ProMetric® 系列成像色度计 可以测量包括亮度和色度在内的值,并评估整个图像上的这些值以确定均匀性。由于测量数据是可量化的,因此可以根据光波导的不同结构变化,使用数值来比较整个设计周期中的结果。

waveguide measurement concept

图像生成单元通过光波导投射图像;然后使用ProMetric成像色度计测量输出,并使用TT-ARVR™ Software 进行分析(右上,以伪彩色色标显示的分析图像示例)。

如需了解更多有关AR、VR和MR系统(统称为XR)最新设备和组件质量测试的信息,请观看以下网络研讨会:“关于XR设备(包括显示器、光波导、近红外光等)光学测试的新型解决方案。该网络研讨会由瑞淀与Photonics Media,合作举办,旨在为AR/VR/MR设备及光波导等组件的光学性能测试提供指导。在该网络研讨会上,我们演示了多项模拟人眼的新技术,并在组件开发和生产的每个阶段针对准确性、速度和易用性进行了优化。

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引用文献

  1. Understanding Waveguides: the Key Technology for Augmented Reality Near-eye Display (Part I).” Virtual Reality Pop, Jun 18, 2019
  2. Ibid.
  3. Kress, B., “Optical waveguide combiners for AR headsets: features and limitations.” Proceedings of SPIE 11062, Digital Optical Technologies of 2019, 11062J (16 July 2019); doi: 10.1117/12.2527680
  4. Sprengard, R., “Waveguides propel augmented reality to consumers.” Laser Focus World, March 24, 2021.
  5. Augmented Reality Market Size, Share & Trends Analysis Report By Component, By Display (HMD & Smart Glass, HUD, Handheld Devices), by Application, By Region, And Segmented Forecasts, 2021-2028. Report by Grand View Research, February 2021.
  6. Ibid.
  7. Kress, B., “Optical waveguide combiners for AR headsets: features and limitations.” Proceedings of SPIE 11062, Digital Optical Technologies of 2019, 11062J (16 July 2019); doi: 10.1117/12.2527680
  8. Erdenebat, M., et al., “Waveguide-Type Head-Mounted Display System for AR Application.” Chapter 13 in State of the Art Virtual Reality and Augmented Reality Knowhow, IntechOpen, March 20, 2018, Nawaz Mohamudally, Ed. DOI: 10.5772/intechopen.75172
  9. Understanding Waveguides: the Key Technology for Augmented Reality Near-eye Displays (Part II).” AR VR Journey, September 23, 2019
  10. Kuang, Y., Liu, J., and Shi, X., “Effect of surface roughness of optical waveguide on imaging quality and a formula of RSE tolerance and incident angle.” Optics Express, Vol 28 (2): 1103-1113, 2020. Doi: 10.1364/OE.382804
     
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