1、AR眼鏡中的光學顯示方案

增強現實技術即AR技術是在展示真實場景的同時,通過圖像、視頻、3D模型等技術為用戶提供虛擬信息,實現將虛擬信息與現實世界巧妙地相互融合,屬于下一個信息技術的引爆點,據權威預測增強現實眼鏡將會取代手機成為下一代的協作計算平臺。以增強現實眼鏡為代表的增強現實技術目前在各個行業開始興起,尤其在安防和工業領域,增強現實技術體現了無與倫比的優勢,大大改進了信息交互方式。目前比較成熟的增強現實技術中的光學顯示方案主要分為棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和波導(Lightguide)方案。

1.1 棱鏡方案

棱鏡方案以Google Glass為例,如圖1中所示,其光學顯示系統主要由投影儀和棱鏡組成。投影儀把圖像投射出來,然后棱鏡將圖像直接反射到人眼視網膜中,與現實圖像相疊加。由于系統處于人眼上方,需要將眼睛聚焦到右上方才能看到圖像信息,而且這一套系統,存在一個視場角vs體積的天然矛盾。Google Glass系統視場角較小,僅有15度的視場角,但是光學鏡片卻有10mm的厚度,而且亮度也不足,圖像存在較大的畸變,所以產品進入市場后不久便被公司撤回。

1.2 Birdbath方案

Birdbath方案中的光學設計是把來自顯示源的光線投射至45度角的分光鏡上,分光鏡具有反射和透射值(R/T),允許光線以R的百分比進行部分反射,而其余部分則以T值傳輸。同時具有R/T允許用戶同時看到現實世界的物理對象,以及由顯示器生成的數字影像。從分光鏡反射回來的光線彈到合成器上。合成器一般為一個凹面鏡,可以把光線重新導向眼睛。采用這種光學顯示方案的AR頭顯裝置主要有聯想Mirage AR頭顯(圖2(a))與ODG R8和R9(圖2(b))。其中ODG有50度的視場角,其厚度則超過20mm。

1.3自由曲面方案

自由曲面方案中一般采用有一定反射/透射(R/T)值的自由曲面反射鏡,自由曲面是一種有別于球面或者非球面的復雜非常規面形,即用來描述鏡頭表面面形的數學表達式相對比較復雜,往往不具有旋轉對稱性。顯示器發出的光線直接射至凹面鏡/合成器,并且反射回眼內。顯示源的理想位置居中,并與鏡面平行。從技術上講,理想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛,所以大多數設計都將顯示器移至“軸外”,設置在額頭上方。

凹面鏡上的離軸顯示器存在畸變,需要在軟件/顯示器端進行修正。由于自由曲面不僅能為光學系統的設計提供更多的自由度,使系統的光學性能指標得到顯著提高,而且為系統設計帶來更加靈活的結構形式,因此成為近年來光學設計領域的研究熱點,其中最具代表性公司有日本愛普生公司(如圖3所示)以及美國夢境視覺公司的Meta系列(如圖4所示)。日本愛普生公司的AR眼鏡雖然在色彩、飽和度和成像質量方面博彩,但是它僅有23度的視場角,而且有13mm的厚度。美國夢境視覺公司的Meta2系列AR眼鏡雖然有90度的視場角,但是其厚度超過50mm,僅光機系統重量就約為420克。

由上所述可知,棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案這三種方案中都存在一個不可規避的矛盾,即視場角越大,光學鏡片就越厚,體積越大,也正是因為這一無可調和的矛盾限制了其在智能穿戴方面,即增強現實眼鏡方面的應用。

1.4 全息透鏡方案

全息透鏡方案使用全息鏡片獨一無二的光學特性,其原理是將一個全息準直透鏡(Hd)和一個簡單的線性光柵(Hg)記錄在同一個全息干板上,全息準直透鏡將顯示源射出的光束準直為平面波,并衍射進基底以進行全內反射傳輸,同時線光柵將光束衍射輸出進入人眼。這種系統將全息光學元件作為耦合元件,結構緊湊的同時降低了對全息光學元件設計和加工的難度,同時降低了全息透鏡的色散,而且具有大FOV和小體積的優勢,因而迅速被人們所接受。但是受限于眼動范圍比較小,而且由于全息透鏡具有復雜的像差和嚴重的色散,因此用全息透鏡成像效果并不理想。目前采用全息透鏡方案的代表性廠家是North,如圖5中所示即為North公司的基于全息透鏡方案的AR眼鏡產品實物圖以及其成像光路示意圖。

1.5 光波導方案

光波導方案在清晰度、可視角度、體積等方面均具優勢,于是成為目前最佳的增強現實眼鏡中光學顯示方案,而且有望成為AR眼鏡的主流光學顯示解決方案。基于波導技術的AR眼鏡,一般由顯示模組、波導和耦合器三部分組成。顯示模組發出的光線被入耦合器件耦入光波導中,在波導內以全反射的形式向前傳播,到達出耦合器件時被耦合出光波導后進入人眼成像。由于用波導折疊了光路,一般系統體積相對較小。根據耦合器的原理,基于波導技術的AR眼鏡,所使用的光波導技術總體上可分為幾何波導方案和衍射光波導方案兩種。

幾何波導方案中一般包括鋸齒結構波導和偏振薄膜陣列反射鏡波導(簡稱偏振陣列波導)。其中主流的偏振陣列波導是通過利用多個等間距平行放置且有一定分光比的半透半反膜層來實現圖像的輸出和出瞳擴展,從而具有輕薄、較大的視場和眼動范圍且色彩均勻的優勢。衍射光波導方案主要有表面浮雕光柵波導方案和體全息光柵波導方案。浮雕光柵波導方案是采用納米壓印光刻技術制造,雖然具有大視場和大眼動范圍的優勢,但是也會帶來視場均勻性和色彩均勻性的挑戰,同時相關的微納加工工藝也是巨大的挑戰,生產成本較高。體全息光柵波導方案在色彩均勻性(無彩虹效應)和實現單片全彩波導上均具有優勢,于是引起了AR光學模組生產產商的極大興趣。

圖6為波導方案的基本顯示原理,耦入區域用于將微投影光機的光束耦入到波導片中,使得光束滿足在波導片中全反射傳播的條件,耦出區域用于將全反射傳播的光束耦出波導片并傳到人眼。耦入區域可以是反射鏡、棱鏡、浮雕光柵和體全息光柵等。耦出區域可以是陣列排布的半透半反射鏡、浮雕光柵和體全息光柵等。本文將對幾何光波導技術中的偏振陣列波導方案以及衍射光波導技術中的表面浮雕光柵波導方案和體全息光柵波導方案進行詳細說明,并對表面浮雕光柵和體全息光柵的制備、加工工藝做出闡述,同時進一步地介紹谷東科技在該領域相關的研發情況。

圖6. 波導方案原理圖

2、偏振陣列波導

2.1 偏振陣列波導原理

偏振陣列波導技術的波導鏡片中通常采用有多個等間距平行放置且有一定分光比的半透半反膜層來實現圖像的輸出和出瞳擴展,該半透半反膜層具有角度選擇性,且陣列排布。其工作原理示意圖如圖7中所示,圖像源發出的光線經過目鏡系統準直后,由波導反射面耦合進入波導,各視場光線依據全反射定理在波導中傳播,光線入射到半透半反面上時,一部分反射出波導,另一部分透射繼續傳播。然后這部分前進的光又遇到另一個鏡面,重復上述的“反射-透射”過程,直到鏡面陣列里的最后一個鏡面將剩下的全部光反射出波導進入人眼。由于波導可以具有多個半透半反面,每一個半透半反面形成一個出瞳,因此可以在基板厚度很薄的情況下,進行出瞳的擴展,實現大視場和大眼動范圍顯示。在經過多次反射后,便能將出射的光“調整”得比較均勻。

圖7. 陣列光波導工作原理示意圖

這項技術的擴瞳技術,設計較為復雜。設計時要充分考慮雜散光,人眼兼容性,各項性能指標。除此之外,均勻性也是最終用戶體驗的直觀指標,如何控制多個膜層的反射和透過率,如何整機優化,如何控制鍍膜工藝,才能保證整個眼動范圍內的均勻性,也是研究的重點。為此谷東科技自主研發設計基于偏振陣列波導技術的光學模組,并在多次不斷嘗試總結后,得到了具有劃時代意義的成果。

2.2 谷東科技-“七折疊、十二面體”超短焦AR光學模組M3010

近日,谷東科技發布了全新“七折疊、十二面體”超短焦AR光學模組M3010(如圖8),采用特殊選擇的材料和工藝搭配,成功消除了同行產品固有的雜像、條紋感、鬼像、畸變、色散等疑難問題,在成像清晰度、最高亮度、色彩均勻度、重量、體積、功耗、漏光等方面皆突破了現階段AR顯示技術的極限,各項指標皆居于世界前列,真正集合了光波導模組極薄、極輕、極高的色彩還原等所有優勢,并將其性能發揮到極致。圖9中所示即為谷東科技公司近期推出的基于偏振陣列波導技術的光學模組M3010產品規格。

谷東科技的“七折疊、十二面體”超短焦光學模組M3010具有以下超強性能。1、小:基于晶體材料的各向異性特性實現了光學器件的復用,將原本在光波導內朝一個方向傳播的光線折疊成7段,使投影光機單元體積縮小85%;2、輕:重量大約為33克;3、透:波導鏡片透光度超過普通建筑玻璃窗,可達85%以上;4、薄:折射畸變小于2mm;5、色:超高對比度、分辨度、色彩還原度與超全色域覆蓋率,M3010標配LCOS作為像源,分辨率可達到1920*1080,提供接近人眼極限分辨能力的光學解析力,完全消除屏幕邊界感,畫質清晰細膩,圖像反差銳利,不會有顆粒感。入眼最高亮度可達5000nit,色域覆蓋率超過100%RGB,達到專業顯示器水準,分毫畢現。

6、零走光:得益于谷東科技獨家研發的分光膜陣列波導片和光學結構,M3010模組在工作時不會出現漏光,更不會對外界暴露屏幕顯示的內容,不論對隱蔽性要求極高的軍用頭盔還是消費娛樂的AR眼鏡,該特性都至關重要;7、超視界:M3010采用top-down結構,水平視場完全無遮擋,整個視場盡收眼里,全視界,在提高用戶體驗的同時還解決了用戶因佩戴眼鏡遮擋視線造成的安全隱患的問題;

8、低功耗:續航時間可達到10個小時左右;9、量產每年達10K片,量產良率和成本均達到世界一流水平;10、超嚴格的環境測試標準:面對極端高、低溫環境,以及高濕度和持續鹽霧侵襲,谷東科技的“七折疊、十二面體”超短焦AR光學模組M3010都能以遠超行業平均水平的可靠性穩定工作;11、全面接受定制:AR眼鏡“出圈”落地場景豐富,基于M3010的強大功能,各行各業的科技公司可在自己熟悉的領域定制廣泛的智能化AR產品。我們堅信谷東科技的“七折疊、十二面體”超短焦光學模組M3010,必定能夠拉開下一代顯示技術革命的序幕,并為同樣對技術抱持工匠精神的企業提供更優秀、更強大的AR產品以及優質的服務。

3、衍射光波導

3.1表面浮雕光柵波導

浮雕光柵波導方案即為使用浮雕光柵(SRG)代替傳統的折反射光學器件(ROE)作為波導方案中耦入、耦出和出瞳擴展器件,其工作原理示意圖如圖10中所示。

圖10. 衍射光波導和表面浮雕光柵的原理示意圖

常用的浮雕光柵主要有一維光柵,其中包括傾斜光柵、梯形光柵、閃耀光柵和矩形光柵結構等,圖11(a)中所示為傾斜光柵的掃描電鏡(SEM)圖。二維光柵主要為波導中常用的六邊形分布的圓柱光柵結構,如圖11(b)中所示為二維圓柱光柵結構的SEM圖。以上光柵結構的特征尺寸均為納米級。目前浮雕光柵波導方案最具代表的產品為微軟的HoloLens系列12(a)以及WaveOptics公司的浮雕光柵波導系列產品12(b)。

圖11. (a)傾斜光柵結構圖; (b)二維圓柱光柵結構圖

圖12. (a) 微軟的HoloLens2; (b) WaveOptics公司的浮雕光柵波導

3.2體全息光柵波導

體全息光柵波導方案采用體全息光柵作為波導的耦入和耦出器件,體全息光柵是一種具有周期結構的光學元件,它一般通過雙光束全息曝光的方式,直接在微米級厚度感光聚合物薄膜內部干涉形成明暗分布的干涉條紋,從而引起了材料內部的折射率周期性變化。這個周期一般是納米級的光柵結構,與可見光波長為一個量級,于是便可以對光線進行有效調制,通過對入射光發生衍射作用,從而改變光的傳輸方向。將體全息光柵和波導片結合,通過設計體全息光柵的相關參數(如材料折射率n、折射率調制因子和厚度等)可以調整體全息光柵的衍射效率。

體全息光柵波導技術的工作原理示意圖如圖13中所示,由微顯示器產生的圖像經過準直系統后變為平行光,平行光透過波導照射到入耦合端的全息光柵上,由于全息光柵的衍射效應使平行光傳播方向改變,波導中的光線在滿足全反射條件時,被限制在波導內沿波導方向向前無損傳播。當平行光傳播到出耦合端的全息光柵時,全反射條件被破壞,光線再次發生衍射變為平行光從波導中出射,進入人眼成像。當耦入的全息光柵與調制出射的全息光柵具有相同的周期結構,且鏡像對稱時,可有效消除色散。

圖13. 體全息光柵波導技術工作原理示意圖

早期采用體全息光柵波導方案的代表性廠家為Sony和Digilens,隨著該技術的日漸成熟,目前參與全息光柵衍射波導光學研究的公司數量不斷增加,主要包括英國的TruLife和WaveOptics,以及美國的Akonia等。Sony出過一款高亮度的單綠色體全息光柵波導,如圖14中所示,該結構采用雙面體全息光柵作為入耦合端,達到了 85%的透射率,顯示亮度為 1000cd/m2。但因體全息光柵的厚度較小,該系統效率較低,此外,僅能用于單色顯示,現已停產。Digilens推出雙層全彩體全息光柵波導,如圖15中所示,該結構通過利用多個單色光柵實現彩色實現,可有效減少系統顏色的串擾,但該系統的效率不高,且因其雙層波導結構,系統制造難度更大。

圖14. Sony 公司雙面體光柵結構全息波導。(a)產品實物;(b)成像光路。

圖15. Digilens全彩色體全息光柵波導。(a)產品實物;(b)成像光路。

谷東科技采用全息材料曝光方法做到將RGB三色合一到一片衍射波導上,利用相干記錄,衍射復現的原理將圖像傳到人眼顯示。主要有模擬設計,材料,以及工藝制備這三個方面。模擬設計需要自行編寫復雜的計算模型;材料主要指HOE中的感光材料,對于全息光波導,需要其制造前后的低收縮比,高效率以及高均勻性;工藝方面,更多是需要全息技術的制造光路以及曝光經驗,它和使用的材料非常相關。圖16是谷東科技研發的單層全彩色體全息光柵波導相應的顯示效果,視場角為30°。

圖16. 谷東科技研發的單層全彩色體全息光柵波導的顯示效果

4、衍射光波導的微納制造

4.1 表面浮雕光柵波導的微納制造

表面浮雕光柵從維度上可分為一維和二維光柵,而在結構上可分為直光柵、閃耀光柵和傾斜光柵。由于增強現實光波導用于可見光波段,為了實現較大的衍射效率和視場角,其特征尺寸一般在數百納米,甚至幾十納米,且其性能對誤差容忍度較小,所以對微納加工制備提出了很大的挑戰。目前的衍射光波導制備基本都是基于半導體制備工藝(如光刻、刻蝕工藝)完成。但是,由于這些方法受其復雜、昂貴的設備的限制,生產成本非常高,不適合光學模組的大批量制備。

圖17中所示即為表面浮雕光柵模板制備或小批量制備工藝流程圖,包括其掃描電鏡圖。對于直光柵,其工藝較為成熟,首先在基底上旋涂抗蝕劑層,通過干涉曝光或電子束曝光實現光柵的圖案化,之后利用反應離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP)將圖案轉移到基底,并將抗蝕劑層去除,完成直光柵的制備。由于均勻性問題導致以HoloLens為代表的斜光柵光波導無法直接采用反應型刻蝕方案準備,所以制備工藝較為復雜,需要采用聚焦離子束(focused ion beam etching,FIBE)、離子束刻蝕(ion beam etching,IBE)、反應離子束刻蝕(reactive ion beam etching,RIBE)技術所制備。

綜合考慮到效率和均勻性,RIBE是其中較為合適的方案。首先,將基底上通過物理或化學方法鍍一層硬掩模(如Cr)層,之后旋涂一層抗蝕劑層。同樣利用干涉曝光或電子束曝光進行圖案化,之后通過氯干刻蝕工藝將抗蝕劑圖案轉移到Cr層。在刻蝕工藝之后,用氧等離子體法剝離剩余的抗蝕劑層。接下來使用基于氟基的RIBE工藝用電離的氬離子束以傾斜的角度入射基底。在反應離子束刻蝕之后,通過標準的濕法刻蝕工藝去除Cr掩模,獲得具有出色均勻性的斜光柵。

圖17.表面浮雕光柵模板或小批量制備工藝流程

上述基于半導體工藝的制備成本昂貴,不適合光柵波導量產加工。因此,衍射光波導的復制工藝隨即被開發出來以便實現大批量生產,而這種大規模的制造工藝依賴于高折射率的光學樹脂,目前Magic Leap和WaveOptics已經進行了相關工藝的驗證。復制工藝包括熱壓法(hot embossing)、紫外線納米壓印光刻法(UV-nano imprint lithography)和微接觸壓印法(micro contact printing,亦被稱為軟光刻)。其中紫外線納米壓印光刻是表面浮雕光柵波導批量生產中的常用方法。

具體工藝流程如圖18所示,該工藝可分為兩個階段:納米壓印工作模具制備階段和批量生產階段。首先,通過上述模板制備工藝將圖案加工到硅晶圓上以用作模板,通過納米壓印技術在更大的硅晶片上旋涂UV樹脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外線對印刷的結構進行曝光以固定樹脂。最后通過重復上述過程批量生產多圖案的壓印模具。在批量生產的過程中,使用多圖案的模具來生產表面浮雕光柵波導,然后使用功能性涂層覆蓋波導,并用激光切割技術分離,最后將不同結構的波導堆疊實現光學模組的制備。

圖18.表面浮雕光柵大批量復制量產工藝流程

4.2 體全息光柵波導的微納制造

體全息波導關鍵元件是體全息光柵,體全息光柵的制備正是利用了全息技術的特性,通過激光激發的兩個有一定夾角的平面光波相互干涉,并將干涉圖案曝光附著在基底上的光敏材料上形成干涉條紋來獲得的,材料特性根據光的強度分布而變化,最后獲得具有折射率周期性變化特性的材料。制備體全息波導的材料包括鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。

全息技術是一種利用光學相干原理來記錄和獲取物光波的振幅和相位信息的方法。其利用干涉記錄、衍射再現的原理,把具有振幅和相位信息的物光波與參考光波相干涉產生的干涉條紋以強度分布的形式記錄成全息圖,從而把物光波的全部振幅和相位信息記錄在感光材料上。全息是一種主動式相干成像技術,全息的記錄光路(如圖19(a)中所示)主要完成兩個方面的功能,一是完成被測物體的相干照明,通過物體的透射或反射形成物光波;二是利用參考光波與物光波發生干涉,形成全息圖。

其中,T0表示零級衍射光,對應于參考光波的透射光波;T+1表示 +1級衍射光,攜帶了原始物光波的信息;T-1為 -1級衍射光,攜帶了物光波的共軛信息。在光學全息中, +1級衍射光能夠形成物體的虛像,可以用眼睛直接觀察,而 -1級衍射光能夠形成物體的實像,可以利用屏幕接收。

圖19. 光學全息的記錄與再現過程示意圖

理想全息光柵的衍射級次只有0級和±1級,全息光波導顯示利用的是0級光在光波導內不斷地全反射,而-1級光不斷地從波導表面出射。光柵衍射的幾何示意圖,如圖20中所示。

圖20. 全息光柵衍射幾何示意圖

由上述三式可以得出對于特定波長、波導介質以及光線入射角度,滿足全反射條件的光柵周期應滿足一定條件。

全息光柵按照其結構可以分為透射型和反射型全息光柵,兩者根本區別在于記錄方式不同,即兩束記錄光的傳播方向不同,從而造成記錄材料內部干涉條紋面的不同取向。透射型全息光柵在記錄時,物光和參考光是從記錄介質的同側進行入射,而反射型全息光柵在記錄時,物光和參考光則是從記錄介質的兩側相向入射。

全息光柵根據記錄介質的厚度與干涉條紋間距的相對厚度關系又可以分為面全息光柵和體全息光柵。面全息光柵與體全息光柵的評判標準用Q值來表征,當Q≥10時為體全息光柵,反之為面全息光柵。

體全息光柵的微結構在體光柵的內部,所以其衍射主要是材料的體效應。當入射光滿足布拉格條件時,體全息光柵會有極高的衍射效率,而如果偏離了布拉格條件,衍射效率則會迅速下降,這個特性使體全息光柵具有明顯的角度和波長選擇性。當用做耦合器件時,體全息光柵可以把波導中,具有特定波長和角度的光從波導中耦合出來,卻又不會遮擋外界真實場景的視野,因此是一種理想的耦合器件。

上述體全息光柵的制備過程僅適用于小批量驗證,而對于大批量生產,則需要開發更加經濟的方案,以Sony和DigiLens為代表的公司開發了體全息波導的加工工藝流程。如圖 21 中展示了制備體全息波導的卷對卷(roll-to-roll)工藝。首先,使用雙束干涉曝光法在附著在卷膠上的光敏聚合物膜內形成體全息波導;第二步,通過注射成型法形成高質量的環烯烴聚合物塑料波導。為了獲得合格的圖像,波導的翹曲必須小于5um,并且有效區域的厚度變化應小于1um。然后進行全息光學元件的轉移工藝以將全息波導膜準確地與塑料波導對準粘貼;之后將塑料全息波導進行切割;最后在配色過程中,將紅、藍塑料波導與綠色塑料波導對準并用UV樹脂將其封裝固定。塑料基底在每次加工之前和之后都均應保持平坦是沖壓和配色過程中都面臨的挑戰。

圖21. 卷對卷體全息波導制備工藝

5、展望

光學穿透式頭戴顯示(AR眼鏡)作為AR技術的主要硬件載體,近年來,受到了科學界和產業界的廣泛關注,所以本文對當前AR眼鏡的光學顯示方案,棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案以及光波導(Lightguide)方案都做了闡述。尤其是光波導方案作為現在AR眼鏡的主流光學顯示方案,文中采用了大量章節對幾何光波導方案中偏振陣列光波導方案,以及衍射光波導方案中的表面浮雕光柵波導方案和體全息光柵波導方案做了詳細介紹,并展示了谷東科技的部分相關樣品。

偏振陣列波導方案具有輕薄、大眼動范圍和色彩均勻性好的優點,但是由于偏振陣列波導本身工藝的復雜,在設計和加工均有很高的技術壁壘,如分光膜陣列鍍膜工藝不夠完善,分光面表面平整性、精度要求高,難以降低成本等。谷東科技在此領域深耕多年,完全實現了從設計到加工的自主化,率先在國內實現了偏振陣列波導的大規模量產。谷東科技從研發階段開始就將工藝進行拆分細化,建立了一套保密可控的量產供應鏈體系,年產能已達10K片,真正實現了量產,也代表了偏振陣列波導技術新的發展里程碑。成熟的設計方案和大規模的量產能力使得偏振陣列波導方案在未來五年內都將是AR領域的主流方案。比如谷東科技的“七折疊、十二面體” 超短焦AR光學模組M3010系列產品,采用谷東科技自主研發的工藝流程方法,通過長時間的工藝實驗制定了嚴格制程管控和測試標準,該光學模組的量產良率和成本均達到世界頂尖水平。

體全息光柵波導方案利用全息光柵來作為光線的耦入/耦出裝置,其將波導的全反射特性和全息光柵的衍射特性相結合,可實現大視場、大出瞳圖像輸出,從而被應用于新一代頭盔顯示系統中,而且其具有整體質量和體積更為緊湊的優點。相對于傳統的陣列光波導中采用幾何光學元件來作為光線的耦入/耦出裝置,全息光波導可有效降低顯示系統的厚度和重量。體全息光柵波導還具有色彩均勻性好和易于實現單片彩色波導的優勢,此外,體全息光柵作為一種通過光學曝光得到的體全息光學元件,有著集成其他光學器件功能的可能性,比如可以將顯示模組中的準直鏡集成進來,使入耦合器同時具有耦合和準直的功能。但是其采用全息干涉曝光的方法進行波導片的加工,限制了其大規模的量產。

同時,做大FOV需要疊加多層全息光柵,增加了工藝難度,做彩色波導片需要高密度的曝光材料,進一步增加了工藝難度。雖然體全息光柵波導技術還面臨著各種難題,設計方案的進一步成熟和量產良率的提升預計還需要一定的時間,但是谷東科技公司積極開展部署體全息光柵波導設計研發以及制備,在設計與加工方面推動體全息光柵波導方案的發展。

綜上所述,偏振陣列波導方案和體全息光柵波導方案是目前兩個最有前景的主流AR方案,一個代表著現在,一個代表著未來。谷東科技率先在國內實現偏振陣列波導的大規模量產,同時積極部署體全息光柵波導方案,希望為AR事業的發展盡力發光。

責任編輯：xj

原文標題：AR眼鏡的光學顯示原理和工藝分享

文章出處：【微信公眾號：新機器視覺】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。