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彩票网站注册_揭秘光波导核心原理,了解AR眼镜背后的挑战(上)

【彩票网站平台_彩票注册】光波导,由于其重量轻和外部光的高击穿特性,被指出是消费级AR玻璃的必要光学方案,并且由于其低价格和低技术阈值而不被鼓励。随着光波导技术的使用和微软HoloLens2、Magic Leap One等主流AR设备的大批量生产,以及DigiLens、poor Ned、minute暮光等AR光模块厂商近期融资消息的频繁披露,关于光波导的争论也减少了不少。

那么,光波导的工作原理是什么呢?阵列光波导、几何光波导、散射光波导、全息光波导、多层光波导有什么区别?它是如何一步步改变AR眼镜的市场格局的?1.光波导,一种不能满足AR玻璃市场需求的光学方案。增强现实和虚拟现实是近年来被广泛忽视的科技领域。他们的近眼显示系统都通过一系列光学元件使显示器上的像素形成遥远的虚像,并把它们传入人们的眼睛。

区别在于AR眼镜必须是透明的,也就是说既要看到真实的外部世界,又要看到虚拟世界的信息,所以光学系统不能在视线前面被推开。所以要打造一台或一组合光器,把虚拟世界信息和真实场景融为一体,相辅相成,互相“强化”。

图1。(一)虚拟现实(VR)近眼显示系统示意图;(二)增强现实近眼显示系统示意图。

近眼显示(NED)AR设备的光学显示系统一般由微型显示屏和光学元件组成。综上所述,目前市场上AR玻璃使用的显示系统是各种微显示屏和光学元件,如棱镜、右表面、水盆、光波导等。

其中,不同的光学元件是区分增强现实显示系统的关键部分。微显示屏用于获取设备的指示内容。它可以是自闪烁有源器件,如现在非常流行的微型OLED和微型LED等发光二极管面板,也可以是需要外部光源的液晶显示器(包括入射LCD和反射式LCOS)、基于微机电系统技术的数字微镜阵列(DMD)和激光束扫描仪(LBS)。这里有一个非常简单的AR光学显示系统的分类和产品实例:由于本文主要讲解了光波导的工作原理和特点,其他光学方案没有详细讲解,之前有很多文章讲解了几种方案的区别。

似乎极限光学方案并没有频繁出现,以至于目前市场上出现了百家争鸣、百花齐放的状态,这必须由AR眼镜的产品设计师根据其在场景中的应用和产品定位来权衡。我们指出,光波导方案在光学效果、外观和量产前景方面并不具备最差的发展潜力,可能是南北消费级AR玻璃的最佳选择。

第二,光波导是如何工作的?在上述光学元件中,光波导技术是从增强现实玻璃的市场需求中诞生的一种独特的光学元件。由于它的亮度和外部光的高击穿特性,已经指出它是消费级ar玻璃的必要光学方案。

随着微软全息透镜和魔跃一号对光波导的使用和大规模生产,关于光波导的争论持续减少。然而,波导技术并不是一项新发明。在众所周知的光通信系统中,用来传输信号的光纤构成了无数连接在大洋彼岸的海底光缆,是一种波导,但只传输我们看不见的红外波段的光。在AR玻璃中,“全反射”是光无损耗无泄漏传输的关键,即光在波导中像划船蛇一样通过往返光线传播,并会入射。

很简单地说,超过全反射必须满足两个条件:(1)传输介质,即波导材料,其折射率不得低于周围介质(如图2右图n1 n2所示);(2)光转入波导的入射角必须小于临界角 C图2。全反射原理示意图光机完成光学过程后,波导将光耦合到自己的玻璃衬底中,将光传输到眼睛前方,然后通过“全反射”原理释放出来。在这个过程中,波导只负责管理传输的图像。

一般来说,它不对图像本身做任何“工作”(比如缩放等)。)。

可以解释为“平行光入,平行光出”,所以它是一个独立于光学系统的独立部件,不存在。光波导的这一特性在优化头套设计和美化外观方面具有很大优势。由于有波导传输通道,显示屏和光学系统可以在靠近眼镜后移动到额头的顶部或侧面,大大减少了光学系统对外部视线的遮挡,使重量更加符合人体工程学,从而提高了设备的佩戴体验。

在这里,波导技术的主要优点和严重缺点列举如下。希望读者对这篇文章背后的原因有更好的理解。

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优点:缩小眼框范围以适应更多的人在环境中,提高机械公差,促进消费级产品的建设——通过一维和二维扩瞳技术缩小眼框。光学系统放在旁边,不遮挡视线,增加重量。波导透镜像光缆一样将图像传输到人眼。

外观形状更像传统的眼镜,有利于设计递归——波导形状一般是一个扁平的轻质玻璃片,轮廓可以切割成。获得“真实”三维图像的可能性——多层波导片可以填充在一起,每层可以获得虚像距离。严重不足:光效相对较低——光在波导进出耦合和传输过程中会丢失,大的动眼框会降低单点输入的亮度。几何波导:的生产工艺复杂,导致整体成品率低。

散射波导:的散射色散导致图像中出现“彩虹”现象和光晕,是非传统几何光学,设计阈值高。图3。基于波导3的AR玻璃外观原理示意图。

光波导的不同分类如本文第二部分所支持的,波导结构基于薄且透明的玻璃衬底(通常厚度为几毫米或亚毫米),光通过玻璃上下表面之间的“全反射”传播。如果我们根据全反射的条件做一个计算,我们不会发现只有一部分入射光需要在波导中传输,那么就需要AR玻璃的最终FOV范围。

简而言之,视角越大,玻璃基板的折射率必然越高。因此,传统的玻璃制造商,如康宁和肖特,近年来一直在为近眼显示市场开发高折射率和高亮度的特殊玻璃基板,他们也希望大大减小晶片尺寸以降低波导生产的单位成本。对于低折射率玻璃基板,波导类型的主要区别在于光进入和离开波导的耦合结构。

一般来说,光波导可以分为两种:几何波导和扩散波导。几何波导就是所谓的阵列光波导,它是用阵列反射镜填充来构造图像的输入,扩展运动框架。代表性的光学公司是以色列的Lumus。目前,市场上不经常出现大规模批量生产的眼镜产品。

散射光波导主要有光刻技术生产的表面浮雕光栅波导和全息干涉技术生产的全息光栅波导,HoloLens 2和Magic Leap One属于前者。全息体光栅的光波导管用于用全息体光栅元件代替浮雕光栅。阿科尼亚公司被收购 在这里,我们要区分真正的“全息技术”,但这仍然是一个误区。

全息光栅只是利用类似于全息术的原理产生的,即利用两个激光器形成干涉条纹来调制光栅材料的特性,形成“折射率周期”,光栅本身不需要全息光学。第四,几何光波导的工作原理、优缺点都受限于文章的长度。

今天,我们主要分析几何光波导的工作原理和优缺点,然后在下一篇文章中重点讨论散射波导。图4。

光波导类型: (a)几何光波导和“半透明半传播”镜阵列示意图,(b)散射光波导和表面浮雕光栅示意图,(c)散射光波导和全息体光栅示意图。“几何光波导”的概念年显然是由以色列公司Lumus提出的,至今仍致力于优化递归,至今已经慢了快二十年。

根据图4(a)的右图,通常是反射表面或棱镜将光耦合到波导中。当光经过多轮全反射到达眼镜正面时,不会遇到“半透明半崇尚”的镜面阵列,这是光耦合出波导的结构,也就是几何光波导中的“光群器件”。“半透明半崇尚”的镜面(很明显,“部分浮动,部分反射”)是映射到玻璃基板上,与透射光形成特定角度的表面。

每个镜面都不会将一部分光线转出波导进入人眼,只有剩余的光线在入射后会在波导中传播。然后这部分行进的光遇到另一面“半透明半崇尚”的镜子,从而重复上述“光入射”过程,直到镜子阵列中的最后一面镜子将剩余的光全部反射出波导,变成人眼。在传统的光学系统中,图像通常只有一个“出口”,称为出瞳。

这里的“半透明半崇尚”镜阵,相当于在水平方向复制多个出瞳,每个出瞳输入完全相同的图像,让眼睛在纵向移动时也能看到图像。这是一维瞳孔放大技术(1DEPE)。

详细解释,假设直径为4毫米的光束进入波导的“光瞳”。由于波导仅负责管理传输,不缩放和增加图像,因此直径为4毫米的光束射出。

在这种情况下,人眼的瞳孔中心不能在4 mm范围内移动,图像仍然可以看到。问题是,不同性别和年龄的人的眼睛和瞳孔之间的距离可能平均在51毫米到77毫米之间。

如果近视显示系统的光学中心是根据瞳孔距离的平均(63.5毫米)方向设计的,这意味着相当多的人戴着这种眼镜看到清晰的图像或几乎接管近视图像。有了这个扩瞳技术,眼框的范围可以从4 mm左右扩大到10 mm以上,你可能会有疑惑,有多个出瞳,那么你的眼睛会看到重影吗?放心,出瞳面只是图像的“傅立叶平面”。人眼的瞳孔不会从这个平面捕捉到原始的图像信息,然后出瞳平面就不会用自己的“透镜”入射到真实的“像平面”(视网膜)上。因此,相同角度的光线不会汇聚到同一个像素(视觉单元),往往会出现重影。

可能有点不知所云,但这就是瞳孔放大技术不切实际的本质。眼框的不断扩展解决了产品设计中的很多问题,如机械设计公差、产品规格号(是否需要男版和女版)、用户交互体验等。极大地推动了AR眼镜向消费类产品的建设。

但是世界上没有免费的晚餐,总的发光面积由于光瞳的产生而减少,这自然增加了每个出射光瞳处看到的透射光量,这也是波导技术的光效高于传统光学系统的原因之一。几何光波导采用传统的几何光学设计理念、建模软件和生产流程,不涉及 由于光在传播过程中不会越来越少,所以阵列中的五个或六个反射镜中的每一个都必须具有不同的透光率(R/T),以确保整个移动眼睛框架中发射的光量均匀分布。

而且由于几何波导传输的光一般是偏振的(从LCOS微显示屏的工作原理来看),每个镜面上的镀膜层数可能会超过十层甚至几十层。此外,这些镜子在涂覆后层压在一起,然后用类似的胶水粘合,然后按照一定的角度切割成波导的形状。

在这个过程中,镜子之间的平行度和角度切割会影响光学质量。所以,即使每个过程都能超过低产率,这几十步的总产毕竟是个挑战。

每个过程的结束都可能导致频繁的光学缺陷,如背景黑条、亮度分布不均、鬼影等。此外,虽然随着工艺的优化,镜面阵列已经完全不可见,但启动光机时,镜头上的一排水平条纹(即镜面阵列)仍然可以看到,这可能会覆盖部分外部视线,影响AR眼镜的美观。作者说明:李坤,毕业于浙江大学光电系,美国加州伯克利大学电子工程系博士。

他的主要研究兴趣包括光学系统、光电器件、半导体激光器和纳米技术。他目前在美国旧金山湾区的Rokid R-实验室工作,也是光学研究科学家和项目负责人。(微信官方账号:)相关文章:不知道6DoF,但也想说说AR?简单介绍一下6DoF四大热门方案的特稿,准予禁刊。

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