完美(中国)体育-2024上海医疗器械创新展Medtec探秘AR眼镜—光学元件之 光波导

2024-06-21

光波导显示技能是加强实际（AR）范畴最具挑战性、最繁杂的难题之一，因其轻薄及外界光芒的高穿透特征而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，又因其价格高及技能门坎高让人望而生畏。今朝诸如微软 HoloLens 及 Magic Leap One 等多家明星 AR 产物均采用光波导显示技能。

今天2024上海医疗器械立异展Medtec小编就来说光波导，它是AR近眼显示体系的一个焦点器件，那末是甚么构成了AR近眼显示体系呢？由于AR及VR是比力相近的，都是属在近眼显示体系怎样于离眼睛很近的位置显示图象，凡是环境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之处并形成一个虚拟的图象，然后再投到人的眼睛里，人眼看上去就像是真正的物体同样。

与VR体系差别的是，AR显示体系需要透视，于看到虚像的同时要看到外界真正的世界，就多了一个光学组合器，将虚像及外界的光及于一路以后投于眼睛里。今朝市道上的AR眼镜基本都是各类差别的微型显示屏及差别情势的光学组合器。于光学组合器里，有带optical power的及不带optical power的，今天所说的光波导就不属在成像体系的一部门，是自力存于的，只卖力把像通报到人们面前，不合错误像做任何转变。

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重要先容一下光波导是如何一个事情道理，与其他的AR眼镜光学方案比拟有甚么长处及不足。光波导重要分为两年夜类，别离是几何光波导及衍射光波导。

光波导实在就是一个玻璃基底，可使必然前提打进去的光孕育发生全反射，就能实现咱们想要的将光从光机搬运到人眼睛前面的使命。

咱们比力认识的光通讯传导的光纤、海底的光缆等都是用这个道理，传输的介质要满意两个前提，第一个前提就是图中的折射率n,n1要年夜在n2,第二个前提就是光进入波导的时辰入射角需要年夜在临界角，临界角就是经由过程n1及n2之间的瓜葛计较出来的。假如满意了这两个前提，光于到达外貌穿梭时城市快要百分百地反射回来。于AR眼镜中的光波导基本上说的是玻璃的基底，为了到达更好的效果，一般都是用小在1毫米的基底。

2. 光波导技能长处与错误谬误

于光波导孕育发生以后，到底为AR眼镜、AR头盔做出甚么样的孝敬？有甚么利益？

1. 重要它是实现了把眼睛周围很重大的光机搬到阁下去，好比于侧面、额甲等，可以不盖住视野，经由过程光波导如许一个传输的前言，再把光带到眼睛前面来。

2. 别的一个比力年夜的长处就是，可以增年夜动眼眶（戴上眼镜以后，眼睛于体系中央点周围挪动多年夜的x及y的规模仍旧可以或许清楚地看到图象）的规模。由于光波导是动用了扩瞳技能，以是可以增年夜动眼眶的规模，于做产物时越发轻易顺应所有的人群。第三个长处就是越发有益在外不雅的改善。第四个长处就是提供了“真”三维图象的可能性。固然也有一些不足，好比光学效率相对于较低，几何光波导来讲制造工艺流程比力繁冗繁杂，对于在衍射波导来讲会有一些色散致使的彩虹征象以和色采不匀称，并且设计门坎要高一些。

下面咱们来看一下光波导的分类，第一类就是几何光波导，是纯几何光学的情势，光的入波导及出波导都是经由过程一些镜面或者者棱镜实现的。第二类就是衍射光波导，衍射光波导又分为外貌浮雕光栅及全息体光栅，外貌浮雕光栅是经由过程于玻璃的外貌刻设一些沟壑来形成差别的n的对于比度，全息体光栅就是经由过程激光干预干与条纹于物体内部组成的变化来形成折射差。

3. 几何光波导

几何光波导是如何事情的呢？起首需要有一个光机，成像以后将像耦合到玻璃镜片内里，只要反射的角度到达全反射的前提，就能够举行全反射继承往下走，会碰到一系列比力非凡的镜面阵列，以下图所示：

于出产制造环节，几何光波导采用的是传统光学冷加工工艺，上风是：光学镀膜、光学切割、纳米研磨、纳米抛光、精雕加工等工艺已经经十分成熟，同韶光学成像质量高，无偏色环境。

因为几何光波导是经由过程一系列镜面阵列，于出产及设计到达了百分百匹配的条件下，其成像是无色散的。然后一维扩瞳也解决了差别人群瞳距差别的问题，使患上产物可以或许越发走向消费级。再一个光波导玻璃的厚度也长短常小的，很是轻薄，而且设计也不是颇有挑战。它的不足于在许多咱们看到的真实产物中，总有一些好比说黑条纹、鬼影、杂光甚至看到一些畸变的征象，重要还有是出产没有做到设计想要的水平。按照2024上海医疗器械立异展Medtec相识今朝市道上还有没有一个产物到达充足的量来证实几何光波导的量产性，以是于举行方案选择的时辰这是几何光波导最使人堪忧之处。

4. 衍射光波导

衍射光波导的光栅是微纳米布局，此中外貌浮雕光栅采用半导体蚀刻、纳米压印等技能；体全息光栅采用基在特定质料的激光束干预干与暴光。由于后者于质料上存于诸多限定，致使今朝业内更多利用外貌浮雕技能线路。其长处是可经由过程矫捷的纳米布局，实现光路设计，其布局特性比力轻易实现二维扩瞳。而难点于在，光栅布局设计繁杂，更磨练对于光学设计能力，差别颜色光波长差别，经由过程光栅后衍射致使彩虹效应、色散及漏光问题亟待解决，同韶光栅布局致使其能效较低。

衍射光波导的焦点，就是一个衍射光栅，衍射光栅简朴来讲就是一个具备周期布局的光学元件，周期可以体现为下图中左侧那种情势， 可所以光波导外貌做一层高低不服的沟壑，也能够是中间这类情势，光波导外貌涂一层质料，用质料内部化学物理性子的变化来引起周期，周期重要是指折射率的周期。于外貌浮雕光栅里表现为质料及空气之间的周期性变化，于全息体光栅中Δn是因为自身段料受干预干与条纹光照水平的差别引起的n的变化环境。

这个图上面是衍射光栅，下面是平凡的分光棱镜，分光棱镜是经由过程折射来分光的，上面是经由过程衍射来分光的，差别的地方于在除了了把颜色分隔以后衍射光栅还有把光分成为了差别的级，于每个级内里还有分了差别的颜色，以是可以看到多个彩虹，而分光棱镜只看到了一束彩虹。后面可以看到因为分光的特性它有一些长处，但同时也带来了一些限定。

衍射光波导有一个很年夜的长处，就是可以实现二维扩瞳而且设计上有很年夜的自由度，没有几何光波导那末繁杂的工艺。衍射光波导中一个比力年夜的错误谬误就是它的色散问题，会致使动眼眶内颜色不匀称。针对于这个问题，业内主流的解决措施就是用多层的光波导，可是也不克不及彻底解决。别的一个问题就是彩虹效应，这重要是因为衍射光栅对于在差别的入射角度衍射效率差别。综合这两个，就是衍射光波导中的色散问题。

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