Оптический волновод: Ключевая технология AR-дисплеев (Часть 1)


27.12.2019 Время чтения - 9 минут 143

Рынок портативных и носимых устройств дополненной реальности (AR) растёт с каждым днём. Среди различных форм реализации аппаратного обеспечения дисплей с креплением на голове (HMD) или дисплей прямо перед глазами (NED) с прозрачными стёклами обеспечивают наилучший эффект от AR. Оптический волновод, благодаря своей тонкой и лёгкой природе, считается наилучшим выбором для AR-очков потребительского уровня, но всё же является труднодоступным из-за его высокой цены и технического барьера. Поскольку основные носимые AR-устройства, такие как Hololens II и Magic Leap One, взяли волноводную технологию на вооружение и продемонстрировали её возможности в массовом производстве, она стала горячей темой в AR-производстве. Оптическая система для NED обычно состоит из оптики с микродисплеем и системой визуализации.

Как работает оптический волновод в AR-системе NED? Какая взаимосвязь между так называемым «решеточным волноводом», «геометрическим волноводом», «дифракционным волноводом», «голографическим волноводом» и «объемным волноводом»? Как был разработан волновод на пути революции в AR промышленности?

1. Оптический волновод – рождёный по требованию

Оптическая система обычно состоит из оптики с микродисплеем и системой визуализации как в VR. Микродисплей может быть или OLED-дисплеем или LED-панелью, или в виде проекции на ЖК-экран, или же в качестве цифрового микрозеркального устройства (DMD), а также может быть лучевым сканер-лазером (LBS). Подобно VR, пиксели на дисплее отображаются на определенном расстоянии и формируют изображение для проецирования на глаза. В отличие от VR, AR NED нуждается в «прозрачной» функциональности, чтобы глаз мог одновременно видеть и реальный мир тоже. Система формирования изображения не должна ограничивать видимость, поэтому для формирования «оптического объединителя» требуется один или несколько дополнительных оптических элементов. Оптический объединитель отражает виртуальное изображение при попадании внешнего света на глаз, накладывая виртуальный мир поверх реального.

Иллюстрация сравнения оптической системы AR и VR

В AR NED маркете было продемонстрировано множество решений для оптических объединителей, которые обычно представлены отражающими или частично отражающими зеркалами, линзами или призмами. Отражающие поверхности могут быть плоскими, изогнутыми или вообще иметь произвольную форму, в то время как некоторые поверхности могут быть поляризованы. Здесь мы используем простой способ классификации оптических решений, продуктов на рынке с их использованием, и кратко сравниваем их характеристики. Поскольку статей о различных оптических решениях уже достаточно, мы не будем здесь вдаваться в подробности, а сосредоточимся на оптическом волноводе. По-видимому, идеального решения пока не существует, но всё к тому идёт. Каждое AR-изделие из стекла должно подбираться наилучшим образом в соответствии с целевым сценарием, а разработчику продукта часто приходится балансировать между оптическим устройством и другими такими характеристиками продукта, как дизайн.

Тем не менее, среди всех существующих на сегодняшний день оптических технологий мы считаем, что волновод обладает наилучшим потенциалом для его использования в AR-очках потребительского уровня, исходя из его оптических характеристик, внешнего вида и возможностей массового производства.

Таблица сравнений доступных оптически технологий

2. Преимущества и недостатки волноводной технологии

Технология оптического волновода была введена относительно недавно в качестве уникального типа оптического сумматора, так как он обычно не несёт оптической мощности. Это не совсем новая концепция, которая работает так же, как оптоволокно для коммуникационной сети. Единственная разница заключается в том, что в нашем случае переносится инфракрасный, а не видимый свет. Для того, чтобы свет отражался в волноводе в обе стороны, на подобии змеи, существует «полное внутреннее отражение (TIR)».

Что бы TIR работало необходимо выполнить два условия:

  1. Материал с высоким показателем преломления в волноводе (n1 > n2);
  2. Входной угол света больше, чем критический угол в θc.

После того, как оптическая система генерирует виртуальное изображение, волновод получает его и транспортирует внутри стеклянной подложки через TIR с практически нулевой потерей, а затем объединяет изображение с реальным миром при достижении человеческого глаза. На протяжении всего этого процесса волновод обычно не влияет на само изображение, поэтому он является лишь оптическим объединителем, независимым от системы построения изображения.

Иллюстрация эффекта полного внутреннего отражения (TIR) ​​в оптическом волноводе (световоде).

Наибольшим преимуществом использования волновода в качестве оптического сумматора является оптимизация пространства в конструкции AR-очков. Благодаря тому, что микродисплей и оптическая система визуализации находятся на верхней части лба или на висках, не только сводят к минимуму перекрытие зрения, но также и оптимизируют вес устройства и улучшают его эргономику. Плюсы и минусы волновода перечислены ниже и будут объяснены в контексте этой статьи.

Плюсы

  • Большой окуляр и улучшенное механическое составляющее для того, что бы подходить большему количеству населения – 1D и 2D расширение выходного зрачка.
  • Чистота зрения и оптимальный вес – волновод передает виртуальное изображение прямо на глаз.
  • Внешний вид очков, близкий к потребительскому товару – плоский и тонкий окуляр, хорошая светопропусканая способность.
  • Удобен для множества дизайнов и массового производства – плоская стеклянная подложка с индивидуальным контуром.
  • Многоуровневое наращивание – создание виртуальных изображений на разной глубине в 3D.

Минусы

  • Относительно низкая оптическая эффективность – низкая эффективность соединения входа/выхода, что работает в ущерб для больших линз.
  • Геометрический волновод: сложный производственный процесс с возможным низким выхлопом.
  • Дифракционный волновод: дисперсия цвета от дифракции вызывает эффекты радуги и помутнения, влияющие на качество изображения.
  • Дифракционный волновод: ограничения в проектных подвижках.

AR-очки на основе волновода

3. Виды волноводов и их сравнение

Как уже было сказано выше, основная часть волновода представляет собой прозрачную тонкую стеклянную подложку (толщина обычно варьируется от субнанометра до нескольких нанометров), передающую свет, отражающийся между верхней и нижней поверхностями с очень малой потерей благодаря TIR. Если вы сделаете расчет для диапазона входных углов, допустимых для TIR внутри волновода, вы обнаружите, что поле обзора (FOV) ограничено показателем преломления стекла. Таким образом, для достижения более высокого FOV такие производители стекла, как Corning и Schott, разрабатывают стеклянные подложки с высоким индексом преломления.

Волноводы отличаются друг от друга своими структурами, используемыми для объединения света в волноводе и вывода изображения из него. Оптические волноводы можно поделить на геометрические и дифракционные.

  • Геометрический волновод – это так называемый «матричный волновод», который расширяет зону видимости с помощью массива трансфлективных зеркал. Пока что на рынке нет полностью готовых AR-очков с таким типом волновода, доступных в большом количестве.
  • Дифракционный волновод это соединение структур поверхностной рельефной решетки (SRG) и объемной голографической решетки (VHG). Технология VHG является относительно менее развитой, что является причиной небольшого поля зрения, но у неё есть потенциал в части цветопередачи.

(1) Геометрический волновод

Геометрический волновод был впервые представлен почти 20 лет назад израильской компанией Lumus. Как показано на следующем рисунке (а), свет от оптического механизма направляется в волновод через отражающее зеркало или призматическую структуру. После нескольких отражений TIR в стеклянном массиве свет, прямо перед глазом сталкивается с изображением от массива трансфлективных поверхностей, что в итоге даёт картинку. Трансфлективная (пропускающая + отражающая) поверхность встроена в волноводную подложку под определенным углом, чтобы отражать часть света для нашего глаза, и пропускать остальную его часть для видимости. Она также пропускает свет из реального мира, что отыгрывает роль оптического сумматора. Затем проходящий свет сталкивается с другой трансфлективной поверхностью и повторяет тот же процесс передачи и отражения.

В обычной системе оптической визуализации свет имеет только один выход через так называемый «выходной зрачок». Здесь трансфлективная поверхность исполнена в нескольких слоях, обеспечивая наложение двух изображений для улучшения качества картинки. Эта конструкция называется «1D исходящее расширение зрачка (EPE)». Вы можете задаться вопросом, могут ли несколько исходящих зрачков стать причиной раздвоения или затемнения изображения в наших глазах? Не волнуйтесь, он является всего лишь «плоскостью Фурье» виртуального изображения, и человеческий глаз преобразует информацию из этой плоскости в пространственную информацию через один-единственный объектив. Затем изображение формируется на «плоскости изображения» – нашей сетчатке, где все световые лучи под одним углом (даже если они из разных исходящих зрачков) объединяются в один и тот же пиксель, создавая, таким образом, только одно изображение. Довольно абстрактно, чтобы понять, но это и есть главной сутью EPE. Например, если входящий в волновод световой пучок имеет диаметр 4 мм, без EPE исходящий зрачок останется равным 4 мм, поскольку волновод не изменяет свет, а только переносит его. Это означает, что ваш глаз сможет ясно видеть только виртуальное изображение, когда центр зрачка перемещается в пределах этого диапазона в 4 мм. Благодаря реализации структуры EPE исходящий зрачок может быть увеличен до более чем 10 мм, в результате чего увеличится и подвижность вашего глаза.

Правильные линзы очень важны для того, чтобы AR-очки подходили пользователям с разным расстоянием между глазами, которое может варьироваться в зависимости от возраста, пола и т.д.

Этот метод решает множество проблем дизайна AR-очков, таких как механические допуски, SKU продукта (например, различные спецификации для мужчин и женщин), эргономичный и UI-дизайн и т.д. Таким образом, оптический волновод с EPE сильно апгрейднул AR-очки. Шаг вперёд к продуктам потребительского уровня! Тем не менее, к каждому действию есть своё противодействие. Расширение линзы достигается за счет меньшей светоотдачи в каждой точке. Это основная причина того, что волновод имеет более низкую оптическую эффективность по сравнению с обычными подходами.

Геометрический волновод использует традиционный геометрический оптический процесс проектирования и инструменты моделирования без использования каких-либо причудливых субволновых структур. Поскольку геометрические оптические структуры не сказываются негативно на цвете, полученное изображение может быть очень высокого качества. Тем не менее, есть проблемы в процессе производства. Одной из них является покрытие линз трансфлективным зеркалом. Поскольку во время распространения внутри волновода остается все меньше и меньше света, требуемое соотношение отражения/пропускания будет разным для каждого из зеркал, чтобы гарантировать равномерный световой поток по всей линзе. А поскольку свет поляризован из-за LCOS, которая часто используется в качестве микродисплея для геометрической волноводной системы, каждое зеркало может иметь более десяти слоев тонкопленочных покрытий на поверхности.

Кроме того, после процесса нанесения покрытий на каждое зеркало их необходимо сложить между собой и склеить, а затем разрезать под точным углом. Точность склеивания и резки также влияет на параллельность стеклянных пластин и, следовательно, качество изображения. Хотя каждый этап – это обыденность оптического производства, достижение высокого качества при всех утомительных этапах и деталях, является довольно сложной задачей. Неточность любого шага процесса может привести к таким дефектам в конечном продукте, как чёрные линии, неравномерность покрытия, мутное изображение и т.д. Кроме того, даже если технологический прогресс и минимизировал заметность зеркального массива при выключенном микродисплее, мы все еще можем их наблюдать, как полоски на окуляре, которые мешают смотреть, а также влияют на внешний вид AR-очков.

Волновод. 3 типа
Типы волноводных технологий: (а) геометрический волновод с отражающей зеркальной решеткой, (b) дифракционный волновод с поверхностными рельефными решетками, (с) дифракционный волновод с объемными голографическими решетками.

Итак, мы, пожалуй закончим повествование о геометрических волноводах на этом моменте и продолжим эту тему, начиная с дифракционных волноводов уже во второй части этой статьи. На выставке AWE USA 2019 (Augmented Wold Expo) компания Rokid только что выпустила новое поколение AR-очков, в которых используется технология дифракционного волновода. Лучше ли дифракционный волновод геометрического? Как разные дифракционные решетки работают друг с другом? Какое окончательное решение для AR-очков потребительского уровня?

Всё это и многое другое во второй части.

Оригинал статьи.

Читайте так же: Добро пожаловать в Display.land: 3D-модель мира

Чтобы не пропустить ничего нового из мира AR/VR, читайте нас в Telegram.