AR近眼显示中的光波导| AI 研习社 158期大讲堂总结


雷锋网AI研习社按:光波导显示技术是增强现实(AR)领域最具挑战性、最复杂的难题之一,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。目前诸如微软 HoloLens 和 Magic Leap One 等多家明星 AR 产品均采用光波导显示技术。在本次公开课中,讲者将深度解读光波导的工作原理及不同光波导方案的优缺点分析,同时分享 Rokid R-Lab 团队在 AR 眼镜领域的技术探索与应用。

 回放地址:http://www.mooc.ai/open/course/675?=from%20leiphone0726

分享嘉宾:李琨,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,主要研究方向包括光学成像系统、光电子器件、半导体激光器和纳米技术等。

 

分享主题:AR近眼显示中的光波导

 

分享提纲:

  • Rokid R-Lab介绍:打造先进的AR解决方案

  • 沉浸式的近眼显示系统——光波导

  • 几何光波导的工作原理及优缺点

  • 衍射光波导的工作原理及优缺点

  • 各光学方案的发展现状及可量产性综合比较

 

雷锋网AI研习社将其分享内容整理如下:

大家晚上好,我是来自Rokid的Linda,很高兴AI研习社今天给我这个机会,能够和大家一起探讨在AR眼镜的光学系统中最近比较热的一个词——光波导。简单介绍一下Rokid,是致力于AI人机交互的创业公司,代表产品有大家熟悉的智能语音产品若琪,以及AR眼镜Rokid Glass 和 Rokid Vision。

 

今天要讲到的光波导是衍射型的光波导,被用在Rokid Vision之中,如果大家有机会在展会上遇到,可以体验一下。

今天我们来讲光波导,它是AR近眼显示系统的一个核心器件,那么是什么组成了AR近眼显示系统呢?因为AR和VR是比较相近的,都是属于近眼显示系统如何在离眼睛很近的位置显示图像,通常情况下都是由一系列光学成像的棱镜等一些器件将微型显示屏上的像素投到很远的地方并形成一个虚拟的图像,然后再投到人的眼睛里,人眼看上去就像是真实的物体一样。与VR系统不同的是,AR显示系统需要透视,在看到虚像的同时要看到外界真实的世界,就多了一个光学组合器,将虚像和外界的光和在一起之后投在眼睛里。目前市面上的AR眼镜基本都是各种不同的微型显示屏和不同形式的光学组合器。在光学组合器里,有带optical power的和不带optical power的,今天所说的光波导就不属于成像系统的一部分,是独立存在的,只负责把像传递到人们眼前,不对像做任何改变。

  

市面上主要的光学方案可以简单分一下类,基本上是各种微型显示屏和各种光学组合器的这样一个组合,如图所示:

  

今天讲的光波导是目前综合看来AR眼镜走上消费市场最好的一个选择,也是应运而生的一个光学元件,它的发明一开始不是为了AR眼镜,但是后面却歪打正着,特别适合AR眼镜。

 

今天主要介绍一下光波导是怎样一个工作原理,与其他的AR眼镜光学方案相比有什么优点和不足。光波导主要分为两大类,分别是几何光波导和衍射光波导。

  

先来看一下光波导到底是什么,它其实不是一个新的概念,最早是说如何将光在一个介质里面百分之百地保留住而没有漏光,我们比较熟悉的光通信传导的光纤、海底的光缆等都是用这个原理,传输的介质要满足两个条件,第一个条件就是图中的折射率n,n1要大于n2,第二个条件就是光进入波导的时候入射角需要大于临界角,临界角就是通过n1和n2之间的关系计算出来的。如果满足了这两个条件,光在达到表面穿梭时都会将近百分百地反射回来。在AR眼镜中的光波导基本上说的是玻璃的基底,为了达到更好的效果,一般都是用小于1毫米的基底。光波导其实就是一个玻璃基底,可以使一定条件打进去的光产生全反射,就能实现我们想要的将光从光机搬运到人眼睛前面的任务。

  

在光波导产生之后,到底为AR眼镜、AR头盔做出什么样的贡献?有什么好处?主要它是实现了把眼睛周围很庞大的光机搬到旁边去,比如在侧面、额头等,可以不挡住视线,通过光波导这样一个传输的媒介,再把光带到眼睛前面来。另外一个比较大的优点就是,可以增大动眼眶(戴上眼镜之后,眼睛在系统中心点周围移动多大的x和y的范围仍然能够清晰地看到图像)的范围。因为光波导是动用了扩瞳技术,所以可以增大动眼眶的范围,在做产品时更加容易适应所有的人群。第三个优点就是更加有利于外观的改善。第四个优点就是提供了“真”三维图像的可能性。当然也有一些不足,比如光学效率相对较低,几何光波导来说制造工艺流程比较繁冗复杂,对于衍射波导来说会有一些色散导致的彩虹现象以及色彩不均匀,而且设计门槛要高一些。

  

下面我们来看一下光波导的分类,第一类就是几何光波导,是纯几何光学的形式,光的入波导和出波导都是通过一些镜面或者棱镜实现的。第二类就是衍射光波导,衍射光波导又分为表面浮雕光栅和全息体光栅,表面浮雕光栅是通过在玻璃的表面刻设一些沟壑来形成不同的n的对比度,全息体光栅就是通过激光干涉条纹在物体内部构成的变化来形成折射差。

  

接下来看一下几何光波导的工作原理以及一维扩瞳的发明,几何光波导是怎样工作的呢?首先需要有一个光机,成像之后将像耦合到玻璃镜片里面,只要反射的角度达到全反射的条件,就可以进行全反射继续往下走,会遇到一系列比较特殊的镜面阵列,如下图所示:

  

由于几何光波导是通过一系列镜面阵列,在生产和设计达到了百分百匹配的前提下,其成像是无色散的。然后一维扩瞳也解决了不同人群瞳距不同的问题,使得产品能够更加走向消费级。再一个光波导玻璃的厚度也是非常小的,非常轻薄,并且设计也不是很有挑战。它的不足在于很多我们看到的真实产品中,总有一些比如说黑条纹、鬼影、杂光甚至看到一些畸变的现象,主要还是生产没有做到设计想要的程度。目前市面上还没有一个产品达到足够的量来证明几何光波导的量产性,所以在进行方案选择的时候这是几何光波导最令人堪忧的地方。

  

下面来看一下衍射光波导,相比几何光波导有什么优缺点以及它自己的分类。来看一下衍射光波导的核心,就是一个衍射光栅,衍射光栅简单来说就是一个具有周期结构的光学元件,周期可以表现为下图中左边那种形式, 可以是光波导表面做一层凹凸不平的沟壑,也可以是中间这种形式,光波导表面涂一层材料,用材料内部化学物理性质的变化来引起周期,周期主要是指折射率的周期。在表面浮雕光栅里体现为材料和空气之间的周期性变化,在全息体光栅中Δn是由于自身材料受干涉条纹光照程度的不同引起的n的变化情况。最右这个图上面是衍射光栅,下面是普通的分光棱镜,分光棱镜是通过折射来分光的,上面是通过衍射来分光的,不同之处在于除了把颜色分开之后衍射光栅还把光分成了不同的级,在每一个级里面还分了不同的颜色,所以可以看到多个彩虹,而分光棱镜只看到了一束彩虹。后面可以看到由于分光的特征它有一些优点,但同时也带来了一些限制。

 

我们来看一下一个简单的结构,就是几何光波导一维扩瞳这个功能完全用衍射光栅来代替,如下图所示:

  

在一维光栅的基础上,又出现了一维光栅二维扩瞳这个概念,如下图。这种方案除了在左右眼睛横向之间的距离增大以外,动眼眶在纵向也增大了,这样就可以适用于更多脸型的人群。

  

当然也可以直接用二维光栅来进行二维扩瞳,如图所示:

  

衍射光波导有一个很大的优点,就是可以实现二维扩瞳并且设计上有很大的自由度,没有几何光波导那么复杂的工艺。衍射光波导中一个比较大的缺点就是它的色散问题,会导致动眼眶内颜色不均匀。针对这个问题,业内主流的解决办法就是用多层的光波导,但是也不能完全解决。另外一个问题就是彩虹效应,这主要是由于衍射光栅对于不同的入射角度衍射效率不同。综合这两个,就是衍射光波导中的色散问题。

  

最后讲一下衍射光栅分类,如图所示:

  

目前表面浮雕光栅(SRG)占市场上衍射光波导AR眼镜产品的大多数,得益于传统光通信行业中设计和制造的技术积累。

 

它的设计门槛比传统光学要高一些,主要在于衍射光栅由于结构进入微纳米量级,需要用到物理光学的仿真工具,然后光进入波导后的光线追踪(ray tracing)部分又需要和传统的几何光学仿真工具结合起来。

 

它的制造过程先是通过传统半导体的微纳米加工工艺(Micro/Nano-fabrication),在硅基底上通过电子束曝光(Electron Beam Lithography)和离子刻蚀(Ion Beam Etching)制成光栅的压印模具(Master Stamp),这个模具可以通过纳米压印技术(Nanoimprint Lithography)压印出成千上万个光栅。

 

表面浮雕光栅已经被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等产品的问世证明了加工技术的高量产性,只不过精度和速度都可靠的电子束曝光和纳米压印的仪器都价格不菲,并且需要放置在专业的超净间里,导致国内有条件建立该产线的厂商屈指可数。

 

在做全息体光栅(VHG)波导方案的厂家比较少,包括十年前就为美国军工做AR头盔的Digilens,曾经出过单色AR眼镜的Sony,还有由于被苹果收购而变得很神秘的Akonia,还有一些专攻体光栅设计和制造的厂家。

 

由于全息体光栅由于受到可利用材料的限制,能够实现的Δn有限,导致它目前在FOV、光效率、清晰度等方面都还未达到与表面浮雕光栅同等的水平。但是由于它在设计壁垒、工艺难度和制造成本上都有一定优势,业内对这个方向的探索从未停歇。

 

最后我们来总结一下,光波导作为AR眼镜中应运而生的一个光学组合器的选择,本身不带任何的optical power,由于它的轻薄能扩瞳使得动眼眶增大这些优点,我们认为它是目前AR眼镜走向消费市场的选择。

但是由于光栅设计门槛高和“彩虹效应”的存在,做出理想的AR眼镜仍然任重道远,需要业内各个产业链的共同努力,Rokid AR团队也致力与大家一起探索AR眼镜这一核心技术的突破与应用,以期为用户带来真正轻薄便携、体验优秀的AR眼镜。

  

今天的分享就到这里,谢谢大家。

 

以上就是本期嘉宾的全部分享内容。更多公开课视频请到雷锋网(公众号:雷锋网) AI 研习社社区https://ai.yanxishe.com/观看。关注微信公众号:AI 研习社(okweiwu),可获取最新公开课直播时间预告。