AR技术不断突破,光波导是未来主流,长期市场值得期待

2022-7-2 15:26| 发布者: admin| 查看: 132| 评论: 0

摘要: 华林科纳干货资料分享近视显示技术是核心,影像系统叠加是关键。近眼显示系统(NED)是AR设备叠加虚拟物品并实现交互的核心。它利用一系列光学成像元件,在显示器上形成像素的远距离虚像,并将其投射到人眼中。由于A ...




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华林科纳
干货资料分享

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近视显示技术是核心,影像系统叠加是关键。近眼显示系统(NED)是AR设备叠加虚拟物品并实现交互的核心。它利用一系列光学成像元件,在显示器上形成像素的远距离虚像,并将其投射到人眼中。由于AR眼镜需要透视,既能看到真实的外部世界,也能看到虚拟的信息,因此成像系统无法挡在视线前方。需要添加更多或一组光合路器,以“堆叠”的形式将虚拟信息与真实信息结合起来。场景融为一体,相得益彰,相得益彰。

VR与AR展示系统示意图

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AR设备的光学显示系统由图像源设备和显示光学设备组成。前者产生图像并将图像投射到显示光学装置中,显示光学装置将图像反射到用户的眼睛中。图像源器件技术主要包括硅基液晶(LCoS)、AMOLED和micro LED。目前,LCoS是AR眼镜使用的主要技术。AMOLED具有自发光功能,设计更简单,光学效率更高,具有Micro LED光学视觉。效率更高,产品寿命更长,响应速度更快,更适合AR眼镜,但目前micro LED技术量产还不成熟。

目前,光学元件技术分为棱镜、自由曲面、光波导等。棱镜光学是谷歌眼镜采用的光学解决方案。图像通过投影到具有切割反射面的小棱镜上成像。棱镜将图像反射到人眼的视网膜中,并将图像与真实图像叠加。方案比较成熟,技术门槛低,但视野小,镜头厚,亮度不足。水盆方案类似于棱镜光学原理。它使用45度分束器(具有反射和透射值),其缺点类似于棱镜方案。

自由曲面是指将具有反射/透射(R/T)值的曲面镜投射到不规则表面上,然后反射回眼睛。该方案表明光源一般在额头前方,自由曲面的厚度较厚,外光是透明的。率越低,视场也越小,体积越大。日本的Epson和American Dream Vision Meta系列都采用了这种方案。Meta 系列的重量约为 420 克(不包括线缆和头带)。

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光波导是目前的主流解决方案。光波导可分为几何光波导(也称为阵列光波导)和衍射光波导。根据光栅元件的不同,衍射光波导包括采用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息技术制造的全息体光栅波导(也称为全息光波导)两类。

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几何光波导通过堆叠阵列反射镜实现图像输出和动眼框的扩展。代表光学公司是以色列的Lumus。几何光波导的光路设计是耦合光通过反射面或棱镜进入波导,通过“半透明”镜阵列耦合出波导,然后到达眼镜前部。几何光波导不涉及任何微纳结构,图像质量,包括色彩和对比度都可以达到非常高的水平。但是,每一个“半透明”的镜面都需要十几层甚至几十层的镀膜工艺,整体良率不高,量产性差。

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与几何光波导不同,衍射光波导通过光栅结构实现光束扩展和耦合。表面浮雕光栅波导与全息体光栅波导的区别在于光栅的加工和制造方法。HoloLens2 和 Magic Leap One 都是表面浮雕光栅波导。利用二元光学理论,在晶圆表面进行纳米压印光刻,形成了非常精细的表面浮雕光栅结构。根据形状的不同,表面浮雕光栅包括矩形光栅和倾斜光栅、Blaze光栅等。由于生产过程中不需要将镀膜斜面“插入”到镜片中,只需要在镜片表面加工光栅结构即可。

除了主流的光学解决方案,光场技术也是备受关注的解决方案。光场光子产生不同深度的数字光,并与自然光无缝融合,从而将逼真的虚拟物体叠加到现实世界中。现场技术可以完全模拟现实世界中光的存在,其显示效果优于光波导。蚁视科技和Magic Leap都申请了相关专利。在蚂蚁视觉2012年的专利中,将光场显示中最小的显示单元定义为元素光束。在Magic Leap的技术方案中,微光纤投影仪将元素光束投射到不同的方向,就像自然光一样,无数的元素光束也会汇聚到视网膜附近的无数点。

这样的景深让成像更加逼真,并且可以减少头晕,有利于长时间佩戴。然而,采用光场技术的AR产品存在价格高、视野小、体积大等问题。Magic Leap 的 AR 产品曾计划采用这种技术方案,但最终失败了。Magic Leap one 也转向了光波导解决方案。未来的光场技术仍需改进。

来源:imedia

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