评述：基于波导的增强现实（AR）显示
2024-01-27 15:10:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

增强现实（Augmented reality，AR）技术出现于20世纪60年代，由于其能够通过光学组合器（optical combiner）将现实世界与数字呈现的信息（虚拟世界）完美融合，因此至今仍然是业界关注的焦点。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国罗切斯特大学（University of Rochester）光学研究所的科研团队在Light: Science & Applications期刊上发表了以“Waveguide-based augmented reality displays: a highlight”为主题的评述文章。该论文的第一作者兼通讯作者为Jannick P. Rolland。

光学组合器有各种形式和架构，波导组合器因其紧凑的设计和大眼动范围（eyebox）而脱颖而出，成为最受欢迎的选择。将光耦合到波导中之后，波导组合器利用全内反射（TIR）将光引导至波导中，如图1所示。当光遇到扩展区域时，每束光分别与几何波导或衍射波导的镜面或光栅进行一系列相互作用，从而被复制。这种复制沿着一个维度扩展了eyebox。然后，复制和重定向的光与出耦合器（out-coupler）相互作用，进一步扩大沿正交方向的光，并将其引导至用户的眼睛。这些机制在不影响整个视场（FoV）的情况下扩大了eyebox，最终以牺牲显示亮度为代价增加了系统的光学扩展量（etendue）。

图1 波导组合器的原理示意图

近日，来自美国中佛罗里达大学（University of Central Florida）的Shin-Tson Wu教授团队在eLight期刊上发表了相关综述研究，全面综述了基于波导的AR显示，提供了及时的信息（DOI: 10.1186/s43593-023-00057-z）。该研究团队深入研究了AR显示的环境对比度（ACR），特别与负责创建数字图像的光引擎类型有关。开启状态下的感知亮度与关闭状态下的感知亮度之比决定了ACR。这种感知亮度结合了显示在眼中的亮度与通过透明波导看到的环境亮度。

在明亮环境条件下，高亮度光引擎和高效波导是实现高ACR的关键。为了提升图像质量，包括分辨率密度和帧速率在内的其他指标也必须提高。理想情况下，这些光引擎应该紧凑、明亮并具有高像素数，以促进更身临其境的显示。然而，在小尺寸封装中实现高像素数需要再缩小已经很小的像素。这篇综述还进一步概述了每种显示引擎类型的流行研究趋势。

正如该综述所述，波导组合器具有其固有的挑战，主要包括在FoV、eyebox、FoV均匀性和效率以及图像清晰度等方面的限制。例如波导折射率制约的最大FoV和TIR的临界角等基本限制，直接影响这种架构类型的沉浸潜力，进而影响其应用空间。此外，入耦合效率是系统亮度的限制因素，因为在入耦合器（in-coupler）处丢失的任何光都无法恢复，从而成为整体效率提升的瓶颈。

该综述还重点总结了波导组合器的分类。波导组合器大致可分为几何型和衍射型两类，这主要取决于波导组合器是基于反射和折射（几何光学）原理还是衍射原理来重定向光和复制光（如图2）。几何波导通常采用嵌入式反射镜或棱镜（如图2a），而衍射波导通常使用表面浮雕光栅、全息光栅或超构表面光栅等元件（如图2b）。通常情况下，波导主要使用一种类别的元件，但已有研究提出构建由几何元件与衍射元件共同构成的混合式波导系统。

图2 波导组合器的结构：（a）几何波导组合器结构，（b）衍射波导组合器结构。

图3所示的k矢量图（k-vector diagram）是理解波导系统的一种有价值的工具。k矢量图的一个重要作用是通过TIR环直观地展示可以包含在波导中的最大FoV。波导内的相互作用会使FoV在图中移动，但是FoV必须保持在环形内以保持其在波导内。在环的内部极限位置移动表明未能满足TIR条件，从而导致漏光。移到环外则意味着FoV已经消失，并且在物理上无法实现。

图3 衍射波导组合器和几何波导组合器的视场极限分析

这些k矢量图通常用于分析衍射波导，因为在k空间中，衍射相互作用可作为矢量线性相加，如图1中衍射k矢量图中的箭头所示。在每次相互作用之后，FoV（用彩色点表示）由光栅矢量移动。整个FoV的形状与FoV中每个点的相对位置在k空间中保持不变。如综述所述，k矢量图在设计复杂的扩瞳方案（如交叉光栅）中起着至关重要的作用，交叉光栅能够在单个区域内实现扩展和出耦合。

随着波导显示的研究和开发进展，结合先进的指标对于理解新研究的影响以及促进与先前研究的比较变得至关重要。该综述提供了适用于所有AR显示的通用指标，主要包括调制传递函数（MTF）、FoV、eyebox、均匀性、效率、尺寸和重量、前向漏光（eye glow）、彩虹效应以及ACR。

不断发展的研究为AR显示引入了新的指标，例如在整个FoV上呈现效率映射，而非将平均效率和均匀性作为单一指标。为了充分捕捉显示的性能行为，了解FoV的趋势非常重要，这样可以在效率映射中实现可视化。也可以在eyebox上绘制类似的映射，以了解每个视场的效率如何随眼睛位置而变化。这些映射还可以显示其他信息，如图像质量或色散。映射性能还显示了哪些视野或eyebox位置的性能最差并需要解决。

为此，报告FoV上的最小值而非平均值或均匀性，可有效地将波导性能总结为单个指标。例如，对用户来说，效率高的视野会比效率低的视野更亮。效率更高的视野可在显示上变暗，以向用户呈现均匀的显示，但最暗的视野无法调量到超出显示器的极限。因此，从全视野映射中得到的最小值可以表示为单个指标，以概括显示能力的极限。

这类似于“一条链条的强度取决于它最薄弱的一环”，因此可以根据其最受限的特征来评估显示能力。波导元件对其性能影响的研究也揭示了波导元件如何对系统性能产生限制以及怎样权衡。深入理解每个元件对性能的影响，并且全面直观地传达这些发现的能力，将对波导未来研究和发展颇有助益。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01371-4

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