探索基于波导的增强现实显示器的进展

发布时间:2023-12-07 20:00:05.000Z

近几十年来,增强现实(AR)已经从一个未来主义的概念发展成为一种有形的、无处不在的技术。AR 通过将投射的虚拟内容与现实世界的场景无缝融合,增强了我们对环境的感知和与环境的互动。基于波导技术的 AR 显示器已成为可穿戴 AR 系统的一项关键技术,使其在保持高光学性能的同时,还能实现轻量化和薄型化。

 

波导合路器是基于波导的 AR 显示屏的关键组件。它们起到光导的作用,可以折叠光路,并在广阔的区域内复制来自小光源的亮度。这是通过一种称为瞳孔外扩(EPE)的过程实现的,它反映了将单个入射光束复制成许多光束的过程,每个光束的强度相等。

 

在发表于《eLight》的一篇新论文中,中佛罗里达大学的 Shin-Tson Wu 教授和中山大学的 Haowen Liang 教授领导的科学家团队回顾了用于增强现实显示器的波导合路器的发展历程。

观察者可以看到从微型显示器投射出来的数字图像(蝴蝶)和真实世界(灌木丛)。资料来源:Yuqian Ding, Qian Yang, Yannanqi Li, Zhiyong Yang, Zhengyang Wang, Haowen Liang, and Shin-Tson Wu。

 

波导合路器的类型多种多样,各有优缺点。最常见的类型包括几何波导合路器、衍射波导合路器和全息波导合路器。

 

几何波导合路器是最简单的类型,但体积庞大,视野有限。衍射波导合路器的制造较为复杂,但厚度较薄,视野较宽。全息波导合路器是最先进的类型,制造成本较高。

 

波导组合器通常与光引擎配合使用,以创建基于波导的 AR 显示屏。光引擎是产生注入波导的光的组件。一些最常见的微型显示器光引擎类型包括硅基液晶、微型 LED、微型OLED、激光束扫描和 MEMS。

 

波导合路器设计是一项具有挑战性的任务。设计人员必须考虑各种因素,如光学性能、可制造性和成本。波导合路器设计中的一些关键挑战包括 EPE 方案设计、视场扩展、耦合器前几何设计、全彩显示、光学效率和均匀性优化。

 

波导合路器技术仍处于初步发展阶段,但它有可能彻底改变 AR 显示技术。设计人员正在努力克服当前的挑战,开发更高效、更经济、更易于制造的新型波导合路器。

 

几何波导合路器具有潜在的大视野(FoV)、良好的均匀性、可忽略的眼发光和高效率,但其制造工艺较为复杂,产量较低。衍射波导组合器的效率相对较低,视场角较小,而且还存在其他问题,如颜色不均匀、眼发光和彩虹效应。

 

如何在提高衍射波导效率的同时保持良好的均匀性是一项重大挑战。EPE 设计、制造方法和衍射耦合器材料性能的进步可以提高衍射波导组合器的性能,使其与几何波导组合器相匹配。

 

然而,目前 VHG(体全息光栅)的折射率调制不足以将视场角扩展到 50°以上,因此需要低成本、高质量的 SRG(表面浮雕光栅)制造工艺。

 

PVG(偏振体光栅)是一种新型衍射耦合器,具有动态调制功能,可扩展基于波导的 AR 显示屏的功能。

 

基于元表面的耦合器具有广泛的设计自由度,可实现消色差等新功能。设备工程和制造工艺的进一步发展有望提高用于 AR 显示器的 PVG 和基于元表面的耦合器的性能。

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