高性能几何光波导头戴显示器设计

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　　为满足增强现实对光波导在大视场角、轻薄化及高沉浸感方面的需求，设计了一种基于阵列式几何薄膜光波导结构的可量产化轻薄型透射式头戴显示器光学系统。该系统由目镜系统、阵列波导系统和照明系统组成。阵列波导结构采用具有定制化角度选择膜系的半透半反薄膜阵列作为光学组合器，实现了出瞳扩展。通过“双半波片”偏振混合设计，将显示均匀性从单一偏振光的59.66%~61.12%提升至76.61%(实际测试)。采用系统的光学仿真与设计方法，依托国内成熟的光学加工链(包括精密切割、研磨抛光、复杂膜系真空镀膜及精密胶合工艺)，同时新增半波片贴膜工序，成功突破了阵列光波导量产化关键技术难点，制备出样机并实现量产。该设计解决了AR头戴显示器性能与量产难兼顾的问题，满足消费级与工业级应用需求。

　　关键词：光波导;近眼显示技术;光学设计;增强现实;头戴显示器

　　论文《高性能几何光波导头戴显示器设计》发表在《光学精密工程》，版权归《光学精密工程》所有。本文来自网络平台，仅供参考。

　　1 引言

　　近年来，增强现实(Augmented Reality, AR)技术成为炙手可热的研究方向，它具有实时交互性良好、信息集成度高及便携性等优点，在工业、军事、娱乐、医疗、交通运输等领域具有广泛的应用前景。作为虚拟现实技术的重要分支，AR技术是对现实世界的补充，允许将2D或3D虚拟数字信息叠加到真实世界中，实现增强现实效果，被视为革命性技术，可重新定义人们与虚拟数字信息的交互方式。

　　AR显示器的理想形式是轻量级穿透式头戴显示器，能将数字信息光学叠加到真实世界画面中，同时保持对真实环境的清晰透视观察。随着谷歌眼镜(Google glass)问世，众多专家学者及企业研发团队致力于此类产品研发。其中，光学中继系统是衔接图像和人眼的核心元件，常见中继方式包括光学波导、衍射光栅、全息光学、自由曲面棱镜和离轴非球面等。

　　国内外研究人员对各类光学中继系统进行了系统研究。2007年，程德文等对轻型大视场自由曲面棱镜头盔的光学结构进行设计;2010年，佟静波等提出离轴双通道头盔显示器的光学系统设计;2018年，许建等提出表面凹凸型波导增强现实显示器。然而，现有技术存在诸多缺陷：棱镜型显示光学系统视场角小，离轴非球面折反射系统易产生垂轴像差和场曲，导致虚拟画面变形;自由曲面棱镜技术光学结构复杂、加工困难，且视场角增大时厚度增加，不利于轻型化设计;全息波导系统清晰度和均匀性低，光能利用率低、色散性高，对使用环境要求苛刻。

　　目前可量产的AR头戴式显示产品中，谷歌眼镜采用的棱镜厚度约10 mm，视场角仅15°;爱普生的自由曲面棱镜、韩昕彦设计的层叠阵列波导结构光学系统及Meta的半反半透曲面方案，虽提升了视场角，但体积和厚度仍难以缩减，画面效果和透过性一般;以微软HoloLens为代表的全息光波导在色彩均匀性和视觉饱和度上不及阵列光波导，且除微软外难以量产。光波导已成为消费级AR显示器技术的核心和基础，但量产面临诸多瓶颈，高精度玻璃冷加工工艺、复杂膜系设计、纳米级膜厚精确控制、层叠斜面棱镜精确贴合等技术，严重制约了光波导模组的大规模生产。

　　本文在分析各类光学系统缺陷和产业化目标的基础上，针对AR系统对光波导大视场、轻薄小巧、高沉浸感的需求，基于阵列式几何光波导系统原理取得关键技术突破。利用“双半波片”偏振混合设计提升显示均匀性，结合国内成熟供应链工艺优势，成功实现可量产化、轻薄型、大视场彩色显示的透射式头戴显示器，既保持较大视场角与清晰饱和的图像，又契合消费领域产品化需求。

　　2 原理

　　阵列式几何薄膜光波导的主要结构由具有角度选择的膜系构成，是透射式头戴眼镜的重要组成部分。该方案可实现目镜系统出瞳扩展，在薄厚度下实现大视场，且具有结构紧凑、无鬼像、易加工、不受使用环境限制等优点，适用于AR光学系统。本文采用阵列式几何薄膜光波导原理进行光学设计，其主要原理结构如图1所示，波导由耦入棱镜和各分光棱镜组成，各分光棱镜胶合面镀有分光膜。分光膜本质是“半透半反膜”，每片膜对入射光的处理分为两部分：一部分反射出波导进入人眼;一部分继续在波导内全反射，从而实现扩瞳。其中，波导的折射率、厚度、分光膜的数量、角度、膜系、眼盒、出瞳距离等是波导设计的主要参数。

　　2.1 波导片几何设计原理

　　如图2(a)所示，耦入棱镜和分光棱镜的角度记为θ，棱镜厚度记为h，波导折射率为n，出瞳距离记为H，扩瞳方向眼盒记为L₁，扩瞳方向视场角记为2f_air，分光膜数量为N。

　　根据图2(a)中的几何关系可得：

　　[L = N h / tanθ]

　　[L₁ = L - 2H tan(f_air) = N h / tanθ - 2H tan(f_air)]

　　波导折射率越高，能容纳的视场角越大，但胶合工艺的波导片受限于胶水折射率，目前工艺成熟材料的最高折射率约为n=1.58(BaK5)。

　　由图2(b)可知，(alpha = 2θ ± f_glass)，其中(f_glass = arcsin(sin f_air / n))，为折射入波导内的角度。为保证全反射条件，(alpha = 2θ - f_glass > arcsin(1/n))，则( heta > [arcsin(1/n) + f_glass]/2)。

　　图2(b)中，|M₁M₂|和|N₁N₂|为边缘视场对应的有效光束尺寸范围，不同视场在耦入面上的有效光束尺寸范围不对称。

　　若系统设计目标为：视场角40°，16∶9侧入式，波导折射率1.58，则扩瞳方向的视场角(2f_air = 40×16/sqrt{(16²+9²)} = 34.86°)，即(f_air = 17.43°)，(f_glass = 10.93°)，( heta > 25.1°)。根据L₁的计算公式，θ越小，L₁越大，因此确定( heta = 25.5°)。在当前加工工艺下，几何波导片的厚度定为h=1.5 mm。

　　不同H、不同N对应的眼盒如表1所示。经统计，国内双目距离约为56~72 mm，则对应眼盒(L₁ > (72-56)/2 = 8 mm)，因此N≥6且H≤17 mm，最终确定N=6，即设置6个分光膜。

　　表1 出瞳距离与眼盒的对应关系(mm)

　　|H|N=4，L₁|N=5，L₁|N=6，L₁|

　　|14|3.79|6.93|10.08|

　　|16|3.16|6.31|9.45|

　　|17|1.90|5.05|8.19|

　　2.2 波导片膜系要求

　　系统采用LCOS光机，输出偏振光，照明光源LED光谱覆盖420~670 nm。假设光机出光亮度可调整为10000 nits，为保证1000 nits的最高亮度，波导的光效应≥10%。

　　波导内光线经过分光膜时，一部分反射出波导进入人眼，另一部分经全反射继续在波导内传播。光线在分光膜处的入射角分为两组：小角度14°~37°和大角度65°~88°。膜系要求大角度范围的反射率尽量低(<3%)，小角度范围内的有效反射率≥10%且尽量均匀。

　　2.3 波导片膜系偏振混合优化原理

　　为减小波导镀膜工艺难度和成本，6个分光膜采用3个膜系，第1~2分光膜采用膜系1，第3~4分光膜采用膜系2，第5~6分光膜采用膜系3。

　　LCOS出射的光为偏振光(可选择p光或s光)。p光和s光在同一片分光膜上的反射率，在小角度范围内趋势相反：p光单调递减，s光单调递升。通过仿真可知，p光和s光的均匀性分别为59.9%和70%，因此考虑将p光和s光混合以中和单调趋势。

　　将p光和s光按7∶3比例混合后，反射率随入射角增加近似不变，且波导片反射率均<20%(透过率均>80%)，混合光对应的均匀性为74.3%，相较于单一偏振光有所提升，但中心视场光效仍偏高，混合方案需进一步优化。

　　2.4 波导片膜系偏振混合方案

　　本文对波导的耦入面进行改进，在光机和波导耦入区域的部分空间贴一层半波片(与光束振动方向成45°夹角，可实现p光和s光相互转换)，使光机出射的光线分为两组：一组维持s光不变射入波导内，另一组从s光转变为p光后射入波导内。

　　针对不同视场在耦入面的有效光束范围不对称、中心视场光效偏大、边缘视场偏小的问题，通过优化半波片的位置和尺寸，将半波片分为两部分，宽度均为1 mm，以图2(b)中的O点为起始，分别位于耦入面的0.5~1.5 mm和2.5~3.5 mm处。仿真结果显示，该方案下不同视场的均匀性达到95.2%，相较于p光和s光分别提高35.2%和25.2%。

　　2.5 波导片制备

　　采用国内先进加工设备及成熟生产链，对光波导制备工艺进行改进和完善，推动其实现低成本量产。光波导制备工艺流程如图8所示，优化后的波导仅在原有镀膜工艺基础上新增半波片贴膜工序，不影响量产性。

　　3 系统装配和测试

　　3.1 光学系统设计

　　基于阵列式波导的穿透式头戴显示器完整光学结构如图9所示，包含目镜系统、阵列式波导系统和照明系统。光机透镜采用4片直射式，照明系统引入偏光分束器，采用LED配合两片准直透镜照明，同时采用反射式硅基液晶(LCoS)作为显示芯片。LCoS是基于液晶光电效应的反射式液晶光阀，可调制光的偏振态。

　　在Zemax软件中对系统进行仿真优化，当照明光斑尺寸大于微显示芯片LCoS的有效区域时，能防止边缘出现暗角，通过ANSI九点法计算可得空间均匀性大于85%。

　　3.2 系统尺寸测量

　　穿透式几何阵列波导头戴显示器样机实物如图12所示。镜片厚度为1.5 mm，单个波导片质量低于5.5 g，整个光学系统总重约30 g，尺寸约为66 mm×16 mm×29 mm。该显示器显示的AR影像可重叠在现实世界物体上，图像清晰度优异，色彩保真度高，亮度适宜，无眼睛刺痛感，可推动面向消费领域的产品面世。

　　3.3 系统效果测试

　　测试采用3组不同模组状态：无半波片、全面贴半波片、贴宽度为1 mm的双半波片(分别位于耦入面的0.5~1.5 mm和2.5~3.5 mm处)。将RGB相机放置在中心眼盒处，对3种状态模组效果进行拍摄，结果显示，双半波片方案将实际均匀性从61.12%(p光)和59.66%(s光)提升至76.61%。

　　表2 不同视场的均匀性对比(%)

　　|模组状态|仿真均匀性|实际均匀性|

　　|p光|70|61.12|

　　|s光|59.9|59.66|

　　|双半波片混合光|95.2|76.61|

　　4 结论

　　为实现增强现实对光波导大视场、轻薄小巧及高沉浸感的需求，本文提出一种可量产化阵列式几何光波导薄膜头戴式显示器，对其进行系统理论分析和设计仿真，并通过实际样机验证和检测各项性能。采用阵列式波导结构可使镜片更轻薄、视场角更大，同时实现更好的显示效果;通过“双半波片”偏振混合设计大幅提升显示均匀性。依托国内成熟产业链，突破光波导量产的工艺壁垒，新增工序不增加成本与复杂度，有望实现规模化生产。

　　参考文献

　　[1] 熊晶莹，戴明. 适应移动智能设备的目标跟踪器[J]. 光学精密工程，2017，25(12)：3152-3159.

　　[2] HUA H, JAVIDI B. A 3D integral imaging optical see-through head-mounted display[J]. Optics Express, 2014, 22(11): 13484-13491.

　　[3] ZHAO K-W, PAN J W. Optical design for a see-through head-mounted display with high visibility[J]. Optics Express, 2016, 24(5): 4749.

　　[4] 姜洋，孙强，谷立山，等. 折/衍混合自由曲面式头戴显示器光学系统设计[J]. 光学精密工程，2011，19(3)：508-514.

　　[5] CHENG D W, WANG Y T, XU C, et al. Design of an ultra-thin near-eye display with geometrical waveguide and freeform optics[J]. Optics Express, 2014, 22(17): 20705-20719.

　　[6] 王健，刘英，郭帮辉，等. 离轴回转对称棱镜式头戴显示器目镜的研制[J]. 光学精密工程，2012，20(7)：1421-1426.

　　[7] CHENG D W, WANG Y T, HUA H, et al. Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling[J]. Optics Letters, 2011, 36(11): 2098.

　　[8] 佟静波，崔庆丰，薛常喜，等. 离轴双通道头盔显示器光学系统设计[J]. 光学学报，2010，30(9)：2662-2667.

　　[9] ZHANG W J, WANG Z F, XU J. Research on a surface-relief optical waveguide augmented reality display device[J]. Applied Optics, 2018, 57(14): 3720-3729.

　　[10] OLSSON M I, MARTIN M W. Wearable display device: US, USD716806 S[P]. 2014-11-04.

　　[11] TAKAGI M, et al. Light guide plate and virtual image display apparatus having the same: US, US8662686 B2[P]. 2014-03-04.

　　[12] 韩昕彦，余飞鸿. 基于层叠阵列波导的穿透式视频眼镜设计[J]. 光学学报，2015，35(5)：0522004.