Der Markt für tragbare Augmented Reality (AR) Geräte wächst rasant. Unter den verschiedenen Hardware-Implementierungsformen bieten head-mounted display (HMD) oder near-eye display (NED) mit durchsichtiger Brille das effektivste und immersivste AR-Erlebnis. Der Lichtwellenleiter (Waveguide) gilt aufgrund seiner dünnen und leichten Natur als eine bevorzugte Wahl für Augmented-Reality-Brillen (AR) für Verbraucher, ist aber aufgrund seines hohen Preises und seiner technischen Barriere immer noch unerschwinglich. Da die Mainstream-AR-Wearable-Geräte wie Hololens II und Magic Leap One die Wellenleiterlösung übernommen und ihre Massenproduktionsfähigkeit unter Beweis gestellt haben, sowie durch die jüngste Offenlegung von Finanzierungsnachrichten für die Hersteller von AR-Optikmodulen DigiLens, NedAR und LingXi, ist Waveguide zum heißen Thema in der AR-Glasindustrie geworden.
Das optische System für NED besteht in der Regel aus einer Mikrodisplay- und Abbildungsoptik. Wie funktioniert der Lichtwellenleiter im AR NED-System? Welche Beziehung besteht zwischen dem sogenannten „Array-Wellenleiter“, dem „geometrischen Wellenleiter“, dem „diffraktiven Wellenleiter“, dem „holographischen Wellenleiter“ und dem „volumetrischen Wellenleiter“? Wie wurden Waveguide entwickelt, um die AR-Glasindustrie zu revolutionieren?
1 Lichtwellenleiter
Das optische System besteht in der Regel aus einer Mikrodisplay- und Bildgebungsoptik, sowohl für VR- als auch für AR-Near-Eye-Displays (NED). Ein Mikrodisplay liefert das Bild entweder aktiv wie in Micro-OLED oder dem trendigen Micro-LED-Panel oder indirekt durch Bestrahlung von Licht auf flüssigkristallbasiertem Display (einschließlich transmissivem LCD und reflektierendem LCOS) und digitalem Mikrospiegelgerät (DMD) sowie Laserstrahlscanner (LBS), die beide durch ein mikroelektromechanisches System (MEMS) ermöglicht werden. Ähnlich wie bei VR werden die Anzeigepixel in einer bestimmten Entfernung abgebildet und bilden ein virtuelles Bild, um es auf das menschliche Auge zu projizieren. Anders als VR benötigt AR NED die „Durchsicht“-Funktionalität, damit das Auge gleichzeitig die reale Welt sehen kann. Das Bildgebungssystem kann die Frontansicht nicht blockieren, was daher ein oder mehrere zusätzliche optische Elemente erfordert, um einen „optischen Combiner“ zu bilden. Der optische Combiner reflektiert das virtuelle Bild, während er externes Licht auf das menschliche Auge überträgt und mit dem virtuellen Inhalt überlagert.
Eine Vielzahl von optischen Combiner-Lösungen wurde auf dem AR-NED-Markt demonstriert, die im Allgemeinen durch reflektierende oder teilweise reflektierende Spiegel, Linsen oder Prismen repräsentiert werden. Die reflektierenden Oberflächen können flach, gekrümmt oder frei geformt sein, während einige Oberflächen polarisierend wirken.
Im Weiteren werden optische Lösungen, repräsentative Produkte und deren Eigenschaften verglichen. Es existiert keine ideale Lösung; jedes AR-Glasprodukt wird entsprechend dem angestrebten Szenario oder Anwendungsfall ausgewählt. Dem Produktdesigner obliegt es, zwischen den optischen Merkmalen sowie weiteren Produkteigenschaften abzuwägen. Basierend auf seiner optischen Leistung, seinem Aussehen und seiner Massenproduktionsfähigkeit besitzen Lichtwellenleiter (Waveguide) das beste Potenzial, AR-Brillen in guter Verbraucherqualität zu ermöglichen.
2 Vor-und Nachteile der Waveguide Technology
Die Optische Wellenleiter-Technologie wurde kürzlich als einzigartige Art von optischem Combiner eingeführt, da sie im Allgemeinen keine optische Leistung trägt. Es ist jedoch kein völlig neues Konzept, das auf die gleiche Weise wie Glasfasern für Kommunikationsnetzwerke funktioniert. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in unserem Fall infrarotes Licht anstelle von sichtbarem Licht transportiert wird. Damit das Licht im Hohlleiter wie eine schwimmende Schlange hin und her geschleudert werden kann, ist die „totale interne Reflexion (TIR)“ der Schlüssel. Für die TIR müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
(1) Material mit hohem Brechungsindex im Wellenleiter (n1> n2)
(2) Der Eingangswinkel des Lichts ist größer als der kritische Winkel θc.
Nachdem die optische Engine ein virtuelles Bild erzeugt hat, koppelt der Wellenleiter im Bild, transportiert es im Glassubstrat durch TIR nahezu ohne Verlust und koppelt das Bild dann aus, wenn es die Position des Auges des Betrachters erreicht. Während dieses gesamten Prozesses beeinflusst der Wellenleiter typischerweise nicht das Bild selbst, daher ist er ein optischer Combiner, der vom Bildgebungssystem unabhängig ist.
Der größte Vorteil der Verwendung von Wellenleitern als optischer Combiner ist die Optimierung des Bauraumes beim Design von AR-Brillen. Indem die Mikrodisplay- und Bildgebungsoptik aus dem Sichtfeld entfernt wird (entweder auf der Oberseite der Stirn oder an der Seite), wird nicht nur die Sehblockade minimiert, sondern auch der Gewichtsausgleich des Geräts optimiert und die Ergonomie verbessert. Die Vor- und Nachteile der Waveguide-Konfiguration sind unten aufgeführt und werden im Kontext dieses Artikels erläutert.
Vorteile:
- große Eyebox und verbesserte mechanische Toleranz, für erweiterte Anwendungsbreite – 1D- und 2D-Austrittspupillenerweiterung.
- Sichtabstand und Gewichtsausgleich – Wellenleiter, der das virtuelle Bild zum Auge transportiert.
- Aussehen der Brille, nah am Verbraucherprodukt – flaches und dünnes Okular, gute äußere Lichtdurchlässigkeit.
- geeignet für Design-Iteration und Massenproduktion – Flachglassubstrat mit kundenspezifischer Kontur, Nanofabrikation.
- Multi-Layer-stapelbar – Erstellung virtueller Bilder in verschiedenen Tiefen, 3D.
Nachteile:
- relativ niedriger optischer Wirkungsgrad — geringe Ein-/Auskopplungseffizienz und Verluste für große Eyebox
- geometrischer Hohlleiter: komplizierter Herstellungsprozess mit möglicher geringer Ausbeute
- diffraktiver Wellenleiter: Die Farbdispersion durch Beugung verursacht Regenbogen- und Dunsteffekte, die die Bildqualität beeinflussen
- diffraktiver Wellenleiter: hohe Designbarriere.
3 Wellenleiter: Kategorien und Vergleich
Wie oben erwähnt, ist der Hauptteil eines Wellenleiters das transparente Dünnglassubstrat (Dicke variiert normalerweise von sub-nanometer bis zu einigen Nanometern), welches das Licht leitet, welches dank TIR mit sehr geringem Verlust zwischen der oberen und unteren Oberfläche reflektiert. Bei Berechnung für den Bereich der Eintrittswinkels fürTIR in einem Wellenleiter, stellt man fest, dass das Sichtfeld (FOV) durch den Brechungsindex des Glases begrenzt ist. Um ein höheres FOV zu erreichen, entwickeln Glashersteller wie Corning und Schott speziell für diesen Markt hochwertige Glassubstrate auf der Wafer-Skala.
Was die Wellenleitertechniken voneinander unterscheidet, liegt in den Strukturen, die verwendet werden, um Licht in und aus dem Wellenleiter zu koppeln, verbunden durch den TIR-Transport von Licht dazwischen. Der Lichtwellenleiter kann im Allgemeinen in geometrischen Typ und diffraktiven Typ kategorisiert werden. Der geometrische Wellenleiter ist der sogenannte „Array Waveguide“, der die Eyebox in einer Dimension durch eine Anordnung von transflektiven Spiegeln erweitert. Das führende optische Unternehmen für geometrische Wellenleiter ist Lumus.
Bisher ist noch kein ausgereiftes AR-Glasprodukt in großen Mengen auf dem Markt erhältlich. Der diffraktive Lichtwellenleiter deckt die Struktur des Oberflächenreliefgitters (SRG) und die Struktur des volumetrischen holographischen Gitters (VHG) ab. Hololens und Magic Leap verwenden beide die SRG-Struktur, während Digilens Pioniere in VHG sowie Akonia sind, die letztes Jahr von Apple übernommen wurden. Die VHG-Technologie ist relativ weniger ausgereift, was derzeit ein begrenztes Sichtfeld bietet, aber möglicherweise eine bessere Farbleistung bieten könnte.
Der geometrische Wellenleiter wurde erstmals vor fast zwei Jahrzehnten eingeführt und von einer in Israel ansässigen Firma Lumus entwickelt. Wie in Bild 5 (a) gezeigt, wird das Licht der optischen Engine durch einen reflektierenden Spiegel oder eine Prismenstruktur in den Wellenleiter eingekoppelt. Nach mehreren TIR-Sprüngen im Glassubstrat beim Erreichen der Position direkt vor dem Auge des Betrachters trifft das Licht auf eine Reihe von transflektiven Oberflächen, um das Bild freizugeben. Eine transflektive (Transmission + Reflexion) Oberfläche ist in einem bestimmten Winkel in das Wellenleitersubstrat eingebettet, um einen Teil des Lichts zu unserem Auge zu reflektieren und den Rest des Lichts zur weiteren Ausbreitung durchzulassen. Es überträgt auch Licht aus der realen Welt, um als optischer Combiner zu dienen. Dann trifft das durchgelassene Licht auf eine andere transflektive Oberfläche und wiederholt den gleichen Übertragungs- und Reflexionsprozess.
In einem herkömmlichen optischen Bildgebungssystem hat das Licht nur einen Ausweg durch die sogenannte „Austrittspupille“. Hier wiederholt sich die transflektive Fläche mehrfach und liefert die gleiche Bildausgabe und erweitert so die Austrittspupille in horizontaler Richtung. Dieses Design wird als „1D Exit Pupil Expansion (EPE)“ bezeichnet. Die Austrittspupille ist dabei die „Fourierebene“ des virtuellen Bildes, und das menschliche Auge wandelt die Winkelinformationen von dieser Ebene durch seine einzige Linse in räumliche Informationen um. Das Bild wird dann auf der „Bildebene“ gebildet – unserer Netzhaut, wobei alle Lichtstrahlen im gleichen Winkel (auch wenn sie von verschiedenen Austrittspupillen stammen) auf demselben Pixel zusammengeführt werden, wodurch nur ein Bild entsteht. Es mag ein wenig zu abstrakt sein, um es zu verstehen, aber das ist die Essenz von EPE.
Wenn der Eingangslichtstrahl am Wellenleiter einen Durchmesser von 4 mm hat, ohne eine EPE-Struktur, bleibt die Ausgangspupille bei 4 mm, da der Wellenleiter das Licht nicht verändert, außer es zu transportieren. Das bedeutet, dass das Auge das virtuelle Bild nur klar sehen kann, wenn sich Ihr Pupillenzentrum innerhalb dieses 4-mm-Bereichs bewegt. Durch die Implementierung der EPE-Struktur kann die Austrittspupille auf über 10 mm erweitert werden, was zu einer größeren Bewegungsbox des Auges führt.
Die Eyebox ist sehr wichtig für die AR-Brille, um Benutzer mit unterschiedlichen Pupillenabständen aufnehmen zu können, die je nach Alter, Geschlecht usw. zwischen 51 mm und 77 mm reichen können. Diese Technik löst viele Probleme im Produktdesign von AR-Brillen, wie mechanische Toleranz, Produkt-SKU (z. B. unterschiedliche Spezifikationen für Männer und Frauen), Ergonomie und User Interface Design usw. So hat Optical Waveguide mit EPE AR-Brillen einen großen Schritt nach vorne zu Consumer-Level-Produkten gemacht. Es gibt jedoch nichts umsonst. Die Erweiterung der Eyebox geht auf Kosten einer geringeren Lichtleistung. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass Wellenleiter im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen einen geringeren optischen Wirkungsgrad aufweisen. Der geometrische Wellenleiter verwendet konventionelle geometrische optische Designprozesse, Simulationswerkzeuge und Fertigungsprozesse, ohne ausgefallene Subwellenlängenstrukturen einzubeziehen. Da die geometrischen optischen Strukturen keine Verzerrung der Farbe darstellen, kann das resultierende Bild von sehr hoher Qualität sein.
Es scheint jedoch Herausforderungen im Herstellungsprozess zu geben. Eine Herausforderung ist die Beschichtung des transflektiven Spiegels. Da während der Ausbreitung im Hohlleiter immer weniger Licht übrig bleibt, ist das erforderliche Reflexions- / Transmissionsverhältnis für jeden der Spiegel unterschiedlich, um eine gleichmäßige Lichtleistung innerhalb der gesamten Eyebox zu gewährleisten. Und da das Licht aufgrund der Natur von LCOS, das oft als Mikrodisplay für geometrische Wellenleitersysteme verwendet wird, polarisiert ist, kann jeder Spiegel mehr als zehn Schichten dünner Filmbeschichtungen auf der Oberfläche haben. Darüber hinaus müssen sie nach dem Beschichtungsprozess jedes Spiegels gestapelt und zusammengeklebt und dann in einem genauen Winkel geschnitten werden. Die Präzision des Klebens und Schneidens beeinflusst auch die Parallelität der Glasplatten und damit die Bildqualität.
Obwohl jeder Schritt eine konventionelle optische Fertigung mit möglicher hoher Ausbeute ist, ist es ziemlich schwierig, mit all den mühsamen Schritten und Teilen eine angemessene Gesamtausbeute zu erzielen. Die Ungenauigkeit eines Prozessschritts kann zu Unvollkommenheiten im endgültigen virtuellen Bild wie schwarzen Linien, Ungleichmäßigkeit, Geisterbild usw. führen. Obwohl der Fertigungsfortschritt die Sichtbarkeit des Spiegelarrays minimiert hat, wenn das Mikrodisplay ausgeschaltet ist, können wir sie immer noch als „Streifen“ auf dem Okular sehen, die die normale Sicht blockieren und auch das Aussehen der AR-Brille beeinflussen.
4 Diffraktionsgitter – Grundlage diffraktiver Wellenleiter
Um das virtuelle Bild von der optischen Engine zu unseren Augen zu transportieren, gibt es „Couple-in“- und „Couple-out“-Prozesse mit dem Lichtwellenleiter. Im geometrischen Wellenleiter werden diese Prozesse durch traditionelle optische Elemente wie Prisma und transflektive Spiegelanordnungen durchgeführt. Der Arbeitsmechanismus ist relativ einfach, aber sie neigen dazu, sperrig mit ziemlich langwierigen Herstellungsverfahren zu sein. Im diffraktiven Wellenleiter werden die herkömmlichen optischen Elemente durch planare Beugungsgitter ersetzt. Der Aufstieg dieses Ansatzes profitiert von den technischen Fortschritten in der Mikro- / Nanofabrikation, die es den optischen Elementen im Millimetermaßstab ermöglichen, in die Ära der mikro- / nanoskaligen flachen Optik einzutreten.
Was ist dann ein Beugungsgitter? Einfach ausgedrückt handelt es sich um eine periodische optische Struktur, deren Periodizität entweder durch die geprägten Spitzen und Täler auf der Oberfläche des Materials (Bild 5b) oder durch die durch Laserinterferenz gebildeten „hell/dunklen“ Phasen in der holographischen Technologie dargestellt werden kann (Bild 5c). Die Natur all dieser Formate liegt in der Periodizität des Brechungsindex n. Normalerweise muss die Periode nahe oder kleiner als die optische Wellenlänge (sichtbarer Bereich ~ 450-700nm) sein, um eine effektive Manipulation des Lichts im diffraktiven Regime durchzuführen.
Die „lichtspaltende“ Natur des Beugungsgitters wird in zwei Aspekten gezeigt, vgl. Bild 6, unter der Annahme, dass das einfallende Licht eine grüne Farbe mit einer Wellenlänge hat, die in mehrere Beugungsordnungen umgeleitet wird. Jede Beugungsordnung breitet sich weiterhin in eine andere Richtung aus, einschließlich der reflektierenden Beugung (R0, R±1, R±2, …) und der transmissiven Beugung (T0, T±1, T±2, …). Der Beugungswinkel jeder Ordnung (θm, m=±1, ±2, …) wird durch den Einfallswinkel(θ) und die Periode (Λ) des Gitters bestimmt. Durch die Auslegung der anderen Parameter des Gitters (wie Brechungsindex n, Geometrie, Dicke, Tastverhältnis) können wir optimieren, bis eine bestimmte Beugungsordnung die höchste Effizienz aufweist, deren Beugungswinkel / -richtung von uns am meisten gewünscht wird. Mit anderen Worten, wir können das einfallende Licht manipulieren, um es durch Optimierung der Gitterstruktur in die gewünschte Richtung zu drehen. Auf diese Weise entspricht es den herkömmlichen optischen Elementen in Bezug auf die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts. Die Manipulation des Lichts erfolgt jedoch durch die Mikro-/Nanostrukturen auf einer ebenen Oberfläche, was viel Platz spart und im Vergleich zu den herkömmlichen optischen Elementen flexibler ist. Damit sich das gebeugte Licht im Wellenleiter ausbreiten kann, muss der Beugungswinkel auch die bereits beschriebene Bedingung für die interne Totalreflexion (TIR) erfüllen.
Neben der Aufteilung des Lichts in mehrere Beugungsordnungen wird der andere Aspekt des „Spaltens von Licht“ in der Farbdispersion ausgedrückt. Dies bedeutet, dass für die gleiche Gitterperiode verschiedene Wellenlängen einen unterschiedlichen Beugungswinkel (θm) haben. Unter der Annahme, dass das einfallende Licht jetzt „weißes Licht“ ist, einschließlich eines Bereichs sichtbarer Wellenlängen, dann hat die längere Wellenlänge einen größeren Beugungswinkel, was dazu führt, dass rote Farbe mehr als grüne Farbe als blaue Farbe „gebogen“ wird. In ähnlicher Weise geschieht diese Lichtspaltung aufgrund der Farbdispersion sowohl bei der reflektierenden Beugung als auch bei der transmissiven Dispersion. Die Farbdispersion eines Prismas unterscheidet sich vom Beugungsgitter, das auf Lichtbrechungseffekt statt auf Beugung basiert. Bild 6 vergleicht die Farbspaltungseffekte zwischen dem Beugungsgitter und der Prismenlinse, woraus wir sehen können, dass das Beugungsgitter komplizierter ist, da jede Beugungsreihenfolge eine Farbdispersion aufweist.
5 Die Funktion diffraktiver Wellenleiter
Nachdem wir das Funktionsprinzip des Beugungsgitters gelernt haben, werfen wir einen Blick darauf, wie es auf der Plattform des Lichtwellenleiters funktioniert. Der geometrische Wellenleiter verwendet ein transflektives Spiegelarray, um eine eindimensionale Austrittspupillenerweiterung (1D EPE) zu realisieren. Überträgt man das Prinzip auf einen diffraktiven Wellenleiter, wie in Bild 7 gezeigt, kann das Eingangsgitter verwendet werden, um Licht in den Wellenleiter zu koppeln. Das Spiegelarray wird durch ein Ausgangsgitter ersetzt, um Licht aus dem Hohlleiter zu auszukoppeln.
Während die optischen Lichtstrahlen wie eine Schlange im Inneren des Wellenleiters wandern, wird jedes Mal, wenn sie auf das Ausgangsgitter auf der Glasoberfläche treffen, ein Teil des Lichts aus dem Wellenleiter gebeugt und an unsere Augen abgegeben. Der Rest der Lichtstrahlen breitet sich im Wellenleiter weiter aus, bis er wieder von der Glasoberfläche reflektiert wird. Auf diese Weise wird die 1D-EPE ähnlich mit geometrischem Wellenleiter realisiert. Die Pupillenausdehnung soll jedoch nicht auf die horizontale Richtung (d.h. X-Richtung entlang des Pupillenabstands) begrenzt werden.
Die große Flexibilität der diffraktiven Optik im Vergleich zur geometrischen Optik soll genutzt werden zur Erweiterung der Pupille in vertikaler Richtung (d.h. Y-Richtung neben dem Nasenrücken). Auf diese Weise können AR-Brillen nicht nur Zuschauer mit größerem Pupillenabstand aufnehmen, sondern auch eine größere Kompatibilität für Betrachter mit verschiedenen Gesichtsformen und Nasenhöhen bieten. Das Konzept, drei Gitterflächen für die zweidimensionale Austrittspupillenexpansion (2D EPE) zu nutzen, wurde vor über zehn Jahren von Dr. Tapani Levola vom damaligen Nokia Research Lab vorgeschlagen, der viele wertvolle Publikationen beisteuerte, die hauptsächlich mit der SRG demonstriert wurden. Die IP wurde dann von Microsoft bzw. Vuzix erworben oder lizenziert, die beide ein ähnliches Layout wie die Baseline in ihren Entwürfen verwenden.
Wie in Bild 8 dargestellt, nutzt auch das repräsentative VHG-Unternehmen Digilens die Drei-Gitter-Layoutstruktur, um 2D-EPE zu implementieren. Man sieht, dass, nachdem Licht durch Eingangsgitter in einen Wellenleiter eingekoppelt wurde, es auf den Falz- oder Drehgitterbereich trifft, dessen Gitterperiodizitätsrichtung einen Winkel in Bezug auf die des Eingangsgitters hat. Um es einfacher zu erklären, wird angenommen, dass dieser Winkel 45 Grad beträgt, was genau wie ein 45-Grad-Spiegel ist, der das einfallende Licht in X-Richtung um 90 Grad in die Y-Richtung dreht. Während dieses Prozesses interagiert das Licht mehrmals mit dem Gitter. Es wird jedes Mal nur ein Teil des Lichts um 90 Grad gedreht, so dass sich der Rest des Lichts weiter in X-Richtung ausbreitet. Dies ähnelt der 1D-EPE in X-Richtung, die in Bild 7 (a) dargestellt ist. Anders aber trifft das 1D-expandierte Licht hier weiterhin auf eine dritte Gitterfläche – das Ausgangsgitter, anstatt sofort aus dem Wellenleiter heraus gekoppelt zu werden.
Die Ausgangsgitterstruktur ist ähnlich wie beim Eingangsgitter, wenn auch mit viel größerer Gitterfläche und Periodizitätsrichtung senkrecht zu dem des Eingangsgitters. Im Ausgangsgitter durchläuft jeder Strahl des 1D-expandierten Strahls einen ähnlichen Prozess der EPE in Y-Richtung. Wenn wir annehmen, dass ein einzelner Eingangsstrahl durch das Drehgitter in 1 x X-Array von Pupillen nach 1D EPE in X-Richtung erweitert wird, dann werden sie im Ausgangsgitter in Y-Richtung zu einer N by M-Matrix von Austrittspupillen erweitert. M und N sind die Anzahl der TIR-Rundgänge innerhalb des Drehgitters bzw. des Ausgangsgitters. Die Verwendung von Drehgittern für 2D-EPE wird von den meisten Mainstream-Produkten auf dem Markt übernommen. Die spezifische Gitterfläche, Geometrie und Anordnung können je nach Produktspezifikation sehr flexibel angepasstwerden.
Ein weiterer Ansatz zur Realisierung von 2D-EPE ist die direkte Verwendung eines 2D-Gitters, dessen Periodizität sowohl in X- als auch in Y-Richtung liegt. Intuitiver gesprochen werden die Gitter-„Rillen“ nun zu „Säulen“. Ein britisches Unternehmen namens WaveOptics verwendet die 2D-Gitterstruktur, die die Funktionalitäten des vorherigen Drehgitters und des Ausgangsgitters kombiniert.
Wie in Bild 9 dargestellt, gelangt das durch Eingangsgitter (Zone 1) in den Wellenleiter eingekoppelte Licht direkt in Zone 3, wo die 2D-Gittersäulen gleichzeitig die Pupille in X- und Y-Richtungen ausdehnen können, während sie das Licht Stück für Stück an die Augen des Betrachters abgeben. Man kann sich vorstellen, dass es für einen Gitterbereich eine ziemliche Herausforderung ist, sich um all diese Aufgaben zu kümmern und zwischen der Gesamtleistungsleuchtdichte und der Gleichmäßigkeit aller Austrittspupillen zu balancieren. Trotz der gestalterischen Herausforderung gibt es statt drei nur zwei Gitterbereiche, die möglicherweise den Lichtverlust während des Transports reduzieren können. Da es kein Drehitter gibt, kann das Ausgangsgitter mehr Platz beanspruchen, um möglicherweise die Größe der Augenbox zu erhöhen. Die Eyebox-Größe des WaveOptics 40-Grad-FOV-Moduls kann etwa 19 x 15 mm2 erreichen, die größte unter allen ähnlichen Produkten auf dem Markt.
6 Pro und Contra diffraktiver Wellenleiter
Der Hauptvorteil des diffraktiven gegenüber dem geometrischen Wellenleiter liegt in der Flexibilität der Gitterkonstruktion und -herstellung. Unabhängig davon, ob die SRG die konventionellen Halbleiter-Mikro-/Nano-Fertigungstechniken oder VHG verwendet, die durch laserinterferierende holographische Technik hergestellt wird, finden die Herstellungsprozesse alle auf dem abgeschiedenen dünnen Film auf dem Glaswellenleitersubstrat statt. Es beinhaltet nicht die traditionellen Form-, Schneid- und Klebeprozesse im geometrischen Wellenleiter. Der Gesamtertrag und die Skalierbarkeit sind besser kontrollierbar. Darüber hinaus ermöglicht die zweidimensionale Austrittspupillenerweiterung mit entweder Drehgitter oder 2D-Gitter zusätzlich zur Entfernungsabdeckung eine stärkere Abdeckung der Benutzerpopulation in vertikaler Richtung (z. B. Gesichtstopologie und Nasenbrückenhöhe). Dies führt zu einer größeren Toleranz für das Industriedesign und mehr Veränderungen für die ergonomische Benutzererfahrung.
Die 2D-EPE ermöglicht es auch, die Light Engine vor allem in vertikaler Richtung kleiner zu machen. Im geometrischen Wellenleiter wird jeder der transflektiven Spiegel mit Dutzenden von Schichten von Beschichtungen abgeschieden, um ein anderes Reflexions- / Transmissionsverhältnis zu erzeugen, um die Gleichmäßigkeit des Ausgangslichts über die gesamte Eyebox zu gewährleisten. Diese Variation des Beschichtungsprozesses ist sehr mühsam und könnte die Gesamtausbeute untergraben. Für das Beugungsgitter kann dieses Verhältnis stattdessen durch den Gitterparameter wie Tastverhältnis oder Geometrie gesteuert werden, der einfach in die Maske der Lithographie oder Holographie geschrieben und durch einmalige Belichtung auf den Gitterdünnfilm „gedruckt“ werden kann.
Beugungsgitter haben jedoch auch ihre eigenen Probleme und Herausforderungen, hauptsächlich aufgrund der Art der Beugungsgitter, die sehr empfindlich und selektiv für Eingangswinkel und Wellenlänge sind, was in Bild 6 erläutert wurde. Zunächst müssen wir die Gitterstruktur optimieren, damit eine bestimmte Ordnung das meiste Licht erhält, während die anderen Ordnungen unterdrückt werden.
Am Beispiel des Eingangsgitters in der SRG-Struktur beugt das in Bild 7 gezeigte geometrisch symmetrische rechteckige Gitter die Ordnungen +1 und -1 gleichmäßig, von denen schließlich nur eine Seite des Lichts gesammelt und in das Auge des Betrachters transportiert wird, wodurch 50% des Eingangslichts verschwendet werden. Daher verwenden die meisten Fälle das in Bild 8 dargestellte schräge Gitter oder das „geblazte“ Gitter, um entweder die Ordnung +1 oder -1 zu maximieren und die Lichtbeugung auf eine Seite zu konzentrieren. Dies hat seinen Preis für einen komplizierteren Herstellungsprozess im Vergleich zur binären Gitterstruktur.
Dann müssen wir uns mit dem Problem der Farbdispersion befassen, wie in Bild 6 erwähnt, bei dem das gleiche Beugungsgitter verschiedene Wellenlängen in verschiedene Richtungen umleitet. Das Licht der optischen Engine enthält RGB-Farben, wobei jede Farbe auch einen Wellenlängenbereich umfasst. Wenn sie durch Beugung des Eingangsgitters in den Wellenleiter eingekoppelt werden, wie in Bild 10 (a) dargestellt, wenn unser Optimierungsziel die Transmissionsbeugung +1. Ordnung, also T+1, ist, dann ist der Beugungswinkel θ+1T für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich, in der Art von R>G>B.
Aufgrund dieses Unterschieds wird die blaue Farbe, wenn sie auf das Ausgangsgitter treffen und aus dem Gitter heraus gekoppelt werden (wie durch die Pfeile zum Auge zur Veranschaulichung nur in Bild 8 (a) angezeigt), 3 Mal ausgekoppelt, zweimal grün und nur einmal rot. Dies führt zu den unterschiedlichen Anteilen der RGB-Farben und damit zu einer Ungleichmäßigkeit, wenn sich das Auge zu verschiedenen Positionen des Ausgangsgitters bewegt. Trotz der Farbungleichmäßigkeit in der gesamten Eyebox variiert die Beugungseffizienz einer einzelnen Wellenlänge auch mit dem Eingabewinkel. Dies führt zu einer Ungleichmäßigkeit der Farbe über das gesamte Sichtfeld, den sogenannten „Regenbogen“ -Effekt.
Um das Problem der Farbstreuung zu mildern, besteht der gebräuchlichste Ansatz darin, drei Ebenen von Wellenleitern für rote, grüne und blaue Farbbänder zu verwenden, wobei jede Ebene ihre eigenen Gitterparameter hat, die nur für eine Farbe optimiert sind. Dies reduziert die Farbungleichmäßigkeit über die Eyebox. Jedes der RGB-Farbbänder enthält jedoch auch mehrere Wellenlängen anstelle einer einzigen Wellenlänge, so dass die Farbungleichmäßigkeit nur über die Optimierung verbessert werden kann, anstatt vollständig aufgehoben zu werden.
Die kürzlich angekündigte Hololens II ersetzt die LED-Lichtquelle in die Laserquelle mit viel engeren Bandbreiten, was den „Regenbogen“ -Effekt möglicherweise reduzieren und das effektive Sichtfeld verbessert. Es ist erwähnenswert, dass die Mainstream-Produkte eher auf zwei Schichten von Wellenleitern als auf drei Schichten ausgerichtet sind, um die Attraktivität der Herstellung dünnerer Gläser zu erhöhen.
Einige Pionierunternehmen erfanden neue Gitterstrukturen, um alle RGB-Farben in einer Ebene des Wellenleiters mit verbesserter Farbleistung zu erfassen. Ein Beispiel ist Dispelix mit Sitz in Finnland, das bisher 30 Grad FOV gezeigt hat. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Physik der optischen Beugung zu einer starken Selektivität des Eingangswinkels und der Wellenlänge führt, die sich hauptsächlich in der Farbungleichmäßigkeit über FOV und Eyebox ausdrückt, wobei ersteres oder beide als „Regenbogen“ -Effekt angesprochen werden. Während des Prozesses der Optimierung des Gitterdesigns ist es schwierig, zwischen Wellenlänge und Winkeltoleranz zu balancieren. Daher ist es eine gemeinsame Herausforderung und ein gemeinsames Ziel in dieser Branche, eine dünne Schicht Wellenleiter zu verwenden, um alle RGB-Farben zu erfassen und gleichzeitig das größte Sichtfeld zu erzielen.
Heutzutage dominieren „surface relief gitter“ (SRG) den AR-Glasmarkt und profitieren von der technischen Akkumulation in der Optoelektronik und verwandten Branchen. Die Designbarriere ist höher als bei herkömmlichen Optiken, hauptsächlich aufgrund der Anforderung neuer Simulationswerkzeuge für die physikalische Optik, um den Gitterteil zu entwerfen, wonach die geometrische Raytracing-Simulation miteinander kombiniert werden muss.
Der Herstellungsprozess beginnt mit der Mikro- / Nanofabrikation, die in der traditionellen Halbleiter-Mikroelektronikindustrie verwendet wird, bei der mit Elektronenstrahllithography (EBL) und Ionenstrahlätzung der Silizium-Masterstempel gefertigt wird. Dann wird der Masterstempel verwendet, um Hunderte oder Tausende von doppelten Oberflächengittern durch Nanoimprint-Lithographie (NIL) zu „drucken“. Das Glassubstrat (der Hohlleiter) wird zuerst mit einer dünnen Harzschicht beschichtet und dann in die NIL-Maschine geschickt, wo das Gittermuster vom Silikon-Masterstempel auf das Harz übertragen wird, was mich an den altmodischen Siegelwachsstempel in GOT erinnert.
Hier müssen wir entweder UV-Licht oder andere Methoden verwenden, um das gedruckte Harz zu verfestigen, bevor wir den Masterstempel anheben und uns die endgültigen Beugungsgitter auf der Hohlleiteroberfläche hinterlassen. Dieses Harzmaterial muss eine hohe Transparenz im sichtbaren Wellenlängenbereich und in der Regel den gleichen Brechungsindex wie das verwendete Glassubstrat aufweisen. Die Herstellbarkeit und Leistungsfähigkeit der Massenproduktion wurden bereits durch die auf dem Markt verfügbaren Produkte von Microsoft, Vuzix und Magic Leap demonstriert. Da die hochpräzisen und hochdurchsatzstarken EBL- und NIL-Geräte sehr teuer sind, müssen sie sich in Reinräumen befinden, so dass es sich für kleinere Unternehmen um eine Investition mit sehr hohem Einsatz handelt.
Auf der anderen Seite beschränken sich Unternehmen, die am volumetrischen holographischen Gitteransatz (VHG) für AR-Brillen arbeiten, auf einige wenige, darunter Digilens, die vor über zehn Jahren mit der Herstellung von AR-Helmen für das Militär begannen, und Sony, das bisher nur ein monochromatisches Produkt hatte, sowie das mysteriöse Akonia, das von Apple erworben wurde. Es gibt jedoch viel mehr Unternehmen, die an der individuellen volumetrischen Gitterkonstruktion und -herstellung arbeiten. Bekanntermaßen verwenden sie alle Photopolymer oder Flüssigkristalle oder die Mischung aus beidem.
Der Herstellungsprozess beginnt auch mit der Beschichtung einer dünnen Harzschicht auf dem Glassubstrat und verwendet dann die störenden Muster, die von zwei Laserstrahlen erzeugt werden, um eine Belichtung durchzuführen. Die hellen und dunklen Ränder verursachen unterschiedliche Belichtungsgrade innerhalb des dünnen Films und erzeugen einen Brechungsindexkontrast Δn als Periodizität des Beugungsgitters. Die Leistung des volumetrischen Gitters wird durch die verfügbaren Materialien eingeschränkt, deren begrenztes Δn das Sichtfeld, die Beugungseffizienz, die Schärfe usw. dem SRG-Ansatz unterlegen macht. Aufgrund seines potenziellen Vorteils in der Designkomplexität und Herstellbarkeit besteht die Erkundung dieses Bereichs jedoch noch aus.
Ein Vergleich zwischen geometrischem Wellenleiter sowie zwei Ansätzen für diffraktive Wellenleiter ist in Tabelle 1 zusammengefasst.
Der geometrische Wellenleiter basiert auf traditionellem optischem Design und Fertigung, bei dem eine eindimensionale Austrittspupillenerweiterung implementiert wurde, um einen größeren Pupillenabstandsbereich aufzunehmen. Der Vertreter ist die israelische Firma Lumus, die FOV bis zu 55 Grad mit überlegener Bildqualität demonstriert hat. Leider ist der Herstellungsprozess sehr mühsam, was zu einem geringen Gesamtertrag führen kann.
Es gab noch kein Consumer-Grade-Produkt auf dem Markt, so dass die Massenproduktionsfähigkeit ein unbekannter Faktor ist.
Der diffraktive Wellenleiter profitiert von der Weiterentwicklung von Mikro-/Nanostrukturen und flacher Optik, die eine zweidimensionale Austrittspupillenexpansion realisieren können.
Die Mainstream-Produkte auf dem Markt übernehmen die Oberflächengitterstruktur, deren Herstellbarkeit durch die Consumer-Grade-Produkte mit Hololens II nachgewiesen wurde, die ein 52-Grad-Sichtfeld erreichen. Eine andere Art ist das volumetrische holographische Gitter, das parallel fortschreitet. Wenn es einen Durchbruch in der Werkstofftechnik gibt, um den Brechungsindexkontrast zu erhöhen, um die optischen Parameter zu erhöhen, könnte das Potenzial in der Massenproduktion sogar höher sein.
Daher denken wir, dass der diffraktive Wellenleiter, genauer gesagt mit Oberflächenentlastungsgittern als Beugungselementen, bei weitem die beste Wahl für AR-Brillen ist, um in den Verbrauchermarkt einzusteigen.
Die bisherigen hohen Design-und Fertigungsbarrieren sowie grundlegende Probleme, wie der sogenannte „Regenbogen“-Effekt stehen der Realisierung einer idealen tragbaren AR-Brille bisher entgegen.
Originalveröffentlichung:
„Understanding Waveguide – the Key Technology for Augmented Reality“ in AR/VR Journey Augmented & Virtual Reality Magazine, Sept. 23, 2019
Die Autorin: Kun (Linda) Li promovierte in Elektrotechnik an der University of California Berkeley und arbeitet derzeit bei Rokid als Senior Research Scientist und Projektmanagerin. Zu ihren Forschungsgebieten gehören optische Bildgebungssysteme, optische Messtechnik, optoelektronische Bauelemente, Halbleiterlaser, Nanotechnologie usw.
Rokid wurde 2014 gegründet und ist auf die Forschung und Produktentwicklung von Mixed Reality und Künstlicher Intelligenz spezialisiert.
Übertragung und redaktionelle Bearbeitung: Dr. Wolf-Dieter Prenzel
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