深度解析增強現(xiàn)實頭戴顯示器的設(shè)計與加工

    近年來，增強現(xiàn)實頭戴顯示器（AR-HMD）被廣泛認為是“未來黑科技”。然而，這并不是一個新概念。雖然虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)經(jīng)常被同時提到，但它們是完全不同的概念。

    VR-HMD技術(shù)將用戶置于一個完全由計算機生成的虛擬世界，包括游戲、電影和直播。

    AR-HMD技術(shù)不僅可以讓用戶看到眼前的真實場景，還可以幫助用戶同時看到計算機生成的真實場景中不存在的虛擬信息。

    AR-HMD可以通過聲音、視頻、圖形、導(dǎo)航數(shù)據(jù)的實時疊加來增強現(xiàn)實世界，為人們的工作和生活提供信息幫助。

    由于AR-HMD對用戶體驗進行了顛覆性的升級，可廣泛應(yīng)用于航天航空、智能制造、信息交互、移動辦公、影音娛樂等眾多領(lǐng)域，被認為是繼PC、智能手機等智能通信和計算終端設(shè)備之后的“下一代計算平臺”。

    光學(xué)透視式是目前AR-HMD的主要研究方向，它通過使用可透明的光學(xué)組合器元件和微顯示器使顯示屏幕與現(xiàn)實世界的可視窗口一致，確保真實場景和虛擬圖像能夠同時到達人眼，由此實現(xiàn)聯(lián)結(jié)現(xiàn)實世界和虛擬世界。

    AR-HMD的發(fā)展仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。由于它是一種頭戴式設(shè)備，體積大、重量大的系統(tǒng)不適合人們長時間佩戴，因此需要一個符合人體工程學(xué)的AR-HMD光學(xué)系統(tǒng)解決方案。

    由于加工技術(shù)的限制，早期的光學(xué)系統(tǒng)需要使用大量的球面透鏡來校正巨大的像差，這無疑增加了系統(tǒng)的重量。由于AR-HMD是一種目視光學(xué)系統(tǒng)，眼瞳箱的大小限制了人眼的觀看位置，為了達到佩戴舒適，光學(xué)系統(tǒng)需要提供一個大的眼瞳箱。此外，為了能滿足應(yīng)用需求，迫切需要大視場(FOV)、大數(shù)值孔徑、高分辨率AR-HMD。然而，由于光學(xué)不變量的限制，同時實現(xiàn)大視場、大數(shù)值孔徑和高分辨率是困難的。微顯示器的顯示光譜帶寬需要與人眼的敏感光譜區(qū)域相匹配，商業(yè)應(yīng)用需求一般要求AR-HMD具有全彩顯示能力，這就引出了消色差或校正色差的問題。為了使外部環(huán)境與虛擬信息之間形成足夠的亮度對比，微顯示器需要在人眼的舒適范圍內(nèi)有較大的亮度調(diào)節(jié)范圍，因此高光效率的硅基液晶(LCOS)、有機發(fā)光二極管(OLED)等微顯示器仍然是必要的。

    結(jié)合上述光學(xué)要求，AR-HMD光學(xué)系統(tǒng)是一種具有大視場和大數(shù)值孔徑(NA)的光學(xué)成像系統(tǒng)。如何同時實現(xiàn)輕薄、大視場、高分辨率、低色差全彩色、大眼瞳箱、高光效的AR-HMD的光學(xué)方案已成為公認的科學(xué)難題。

    鑒于此，北京理工大學(xué)王涌天教授、程德文教授等人以“Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook”在 Light: Advanced Manufacturing 發(fā)表綜述論文。

    AR-HMD光學(xué)方案的分類

    目前AR-HMD光學(xué)組合器的解決方案如圖1所示，主要分為宏觀光學(xué)方案、微光學(xué)方案和納米光學(xué)方案三大類。

圖1. AR-HMD 光學(xué)方案

    1. 宏觀光學(xué)解決方案包括傳統(tǒng)光學(xué)、自由棱鏡和幾何光波導(dǎo)解決方案，主要基于斯涅爾折反射定律

    2. 微光學(xué)解決方案包括SRG、VHG和PVG衍射光柵解決方案，主要基于光柵的衍射效應(yīng)

    3. 納米光學(xué)解決方案包括超透鏡和超表面反射器解決方案，主要基于納米微結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制

    AR-HMD光學(xué)顯示方案

    1.1 宏觀光學(xué)方案

    1.1.1 傳統(tǒng)光學(xué)方案

    如圖2所示為部分代表性傳統(tǒng)AR-HMD光學(xué)方案。

圖2. 傳統(tǒng)AR-HMD光學(xué)方案

    圖2a所示為一個基于傳統(tǒng)目鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)透射式AR-HMD，通過平面分光耦合元件，將虛擬信息與真實環(huán)境耦合到一起，實現(xiàn)增強現(xiàn)實顯示的功能，然而其視場角非常小。

    圖2b是早期被大量采用的一類AR-HMD光學(xué)方案，其中中繼投影鏡頭組提供了系統(tǒng)主要的光焦度，可以增大系統(tǒng)的成像視場角，此外該類AR-HMD光學(xué)方案具有很高的光學(xué)透過率和較大的眼瞳箱尺寸和出瞳距離，大量應(yīng)用于航空領(lǐng)域。

    如圖2c所示，利用單片自由曲面半透半反鏡實現(xiàn)的一次折反AR-HMD由于系統(tǒng)中成像光學(xué)元件僅一片自由曲面，可以極大的減輕系統(tǒng)的重量，緩解了用戶佩戴的沉重感。但像差較大，同時也引入了較大的畸變。

    如圖2d所示，BirdBath光學(xué)方案中包括一個平面分光耦合元件以及一個曲面分光耦合元件，通過兩個耦合元件，將由上方微顯示器顯示的圖像與真實世界聯(lián)系起來。本質(zhì)上該光學(xué)系統(tǒng)中鏡片的共軸性仍然存在，因此像差較小。

    1.1.2 自由曲面棱鏡方案

    自由曲面面型描述以及設(shè)計方法的發(fā)展促進了光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展。自由曲面棱鏡由于體積小，重量輕，可實現(xiàn)大視場角、高分辨率、大出瞳直徑和透視顯示。

圖3. 自由曲面棱鏡光學(xué)方案

    如圖3a所示，我們團隊提出了基于自由曲面棱鏡的AR-HMD的具體設(shè)計方法，并提出由一塊自由曲面楔形棱鏡L1和自由曲面透視補償透鏡L2拼接的新結(jié)構(gòu)。虛擬成像光路的光線從微顯示器出發(fā)通過自由曲面棱鏡的表面S3透射進入棱鏡內(nèi)部，然后在表面S1′上發(fā)生全反射后到達光學(xué)表面S2，再次經(jīng)過表面S2反射，經(jīng)過棱鏡的前表面S1透射最終離開棱鏡并進入人眼。來自真實場景的光線依次透射通過自由曲面透視補償棱鏡L1和楔形棱鏡L2后進入人眼。

    之后我們團隊也提出了拼接自由曲面棱鏡，如圖3b所示，進一步增加了單目顯示視場，達到82度�；�于自由曲面棱鏡光學(xué)方案，現(xiàn)已實現(xiàn)120°對角視場，出瞳大小為6mm。

    圖4給出了自由曲面閉環(huán)反饋加工的核心過程：模具和模仁加工、模仁檢測、注塑成形、像質(zhì)評價。當(dāng)未達到設(shè)計的成像精度目標(biāo)時，可通過加工補償實現(xiàn)面形的補償加工。

圖4. 自由曲面閉環(huán)加工核心流程

    1.1.3 幾何波導(dǎo)方案

    幾何波導(dǎo)采用反射鏡將光線耦合進來，并使用分光鏡陣列將光線耦合出射。

圖5. 幾何波導(dǎo)光學(xué)方案

    如圖5a所示，幾何波導(dǎo)顯示器由三部分組成，分別是微型顯示器，投影光學(xué)器件和幾何波導(dǎo)光學(xué)器件，在這三個部分中，波導(dǎo)用作光瞳擴展器，并且是減小AR-HMD厚度的關(guān)鍵因素。來自微型顯示器的圖像通過投影光學(xué)器件到達波導(dǎo)中的入射鏡，之后光線通過全內(nèi)反射條件（TIR）在基板上連續(xù)反射，當(dāng)光線到達分光鏡陣列（PRMA）后，PRMA將光從波導(dǎo)中耦合出射進入人眼。

    如圖5b所示，一種具有兩個幾何波導(dǎo)的AR-HMD，兩個波導(dǎo)以很小的空氣間隔堆疊在一起，以便光可以獨立地在兩個波導(dǎo)內(nèi)部傳播，最終實現(xiàn)大視場顯示。幾何波導(dǎo)的加工流程如圖7所示。

    1.2 微光學(xué)方案

    1.2.1 表面浮雕光柵SRG

圖6. 表面浮雕光柵SRG

    如圖6a所示為一般一維二元矩形光柵的基本結(jié)構(gòu)，包含有周期，深度，占空比。

    如圖6b所示，準(zhǔn)直光束由入耦合光柵向兩個對稱方向衍射并進行全反射傳播，最后通過出耦合光柵出射被人眼接收。為保證眼睛沿著波導(dǎo)內(nèi)光傳播方向移動能看見完整圖像，需要對出耦合端進行出瞳擴展，以擴大眼瞳箱。傾斜式的表面浮雕光柵打破矩形光柵本身的對稱性，可以在特定級次上實現(xiàn)很高的衍射效率。

    如圖6c所示為傾斜式表面浮雕光柵。

    如圖6d所示，為實現(xiàn)出瞳擴展，當(dāng)光打到出耦合光柵元件，一部分光會被衍射從波導(dǎo)出射，另一部分光繼續(xù)全反射，全反射光每次與出耦合光柵作用時都會有衍射光出射，剩余光繼續(xù)沿著原方向全反射。

    表面浮雕光柵主要通過電子束刻蝕技術(shù)制造。制作過程如圖7所示，以SiO₂作為基底，在基底上涂覆有鉻層(Cr)和抗腐蝕劑層(resist)，然后利用激光的全息記錄技術(shù)對對抗蝕劑層進行刻印。再通過氯干腐蝕工藝將抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到鉻層中。在刻蝕工藝完成之后，再將剩余的光刻膠用氧等離子體過程剝離（oxygen plasma process），獲得了具有用于后續(xù)氟利昂化學(xué)反應(yīng)離子束蝕刻(RIBE)的極好的垂直剖面形狀。在RIBE（反應(yīng)離子束刻蝕，reactive ion beam etching (RIBE)）刻蝕過程中，電離氬束以斜入射角射向襯底。在蝕刻腔中加入反應(yīng)氣體(氟利昂)，最終在SiO₂中蝕刻了一個斜柵。在RIBE蝕刻后，用標(biāo)準(zhǔn)濕法蝕刻工藝去除Cr掩模。為了大批量生產(chǎn)AR衍射光柵，納米壓印(NIL)是最適用的方法。利用壓印技術(shù)，對母板進行接近1：1的壓印復(fù)制，可實現(xiàn)對母版的大批量復(fù)制制作，且能保證復(fù)制光柵的性能穩(wěn)定。

圖7. 表面浮雕光柵制造工藝的基本流程

    1.2.2 體全息光柵VHG體全息光柵波導(dǎo)系統(tǒng)（VHG）是平板波導(dǎo)的另一種解決方案。相比較于表面浮雕光柵而言，體全息光柵是基于光的干涉原理制作的具有周期性折射率變化的三維立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線入射時，根據(jù)布拉格衍射的特點，只有特定角度入射的特定波長光線才可以以高衍射效率出射，由于其出色的波長和角度選擇性，體全息光柵開始被廣泛應(yīng)用于近眼顯示領(lǐng)域。

圖8. 全息光柵波導(dǎo)與其的曝光制備光路

    如圖8（a）所示，當(dāng)光在玻璃基板上完全反射時，一旦到達全息表面就會發(fā)生衍射。而衍射光不再滿足全反射的條件，將從玻璃板中發(fā)射出來。同時可以調(diào)節(jié)入瞳的大小，實現(xiàn)連續(xù)的出瞳區(qū)域。

    之后如圖8（b）所示，通過堆疊入耦合和出耦合體全息光柵，發(fā)展出了彩色的VHG耦合光柵波導(dǎo)。然而，這些全息光柵疊加會使系統(tǒng)產(chǎn)生雜散光。

    體全息光柵的制作主要分為制膠、旋涂、晾干、曝光及后處理過程。全息光柵記錄光路圖如圖8（c）,曝光時，激光器發(fā)出激光,通過分束鏡之后分為具有一定光強比的光束,經(jīng)過擴束準(zhǔn)直及反射鏡反射之后,入射到預(yù)涂好光膠的全息干板上,曝光干涉形成干涉條紋。

    1.2.3 偏振體全息波導(dǎo)PVG

圖9. 偏振體全息光柵PVG用于衍射波導(dǎo)AR-HMD及其加工制備方法

    如圖9a所示，在PVG中，液晶分子LC光軸在xz平面的旋轉(zhuǎn)角度是利用頂基板形成的，并沿x軸周期性地變化。在PVG的頂部襯底下，LC沿y軸呈螺旋周期結(jié)構(gòu)。這種方法產(chǎn)生了大量的周期性和傾斜折射率表面(綠色虛線)，由此實現(xiàn)光束的衍射偏轉(zhuǎn)。

    如圖9b所示，給出了PVG波導(dǎo)AR-HMD光路圖。兩個左旋和右旋PVGs疊加成入射耦合光柵。入射耦合光柵衍射左圓偏振光和右圓偏振光并傳輸另一正交偏振光。傳播圖像最終由兩個出射耦合光柵分別出射到人眼。

    圖9c顯示了制備PVGs的流程圖。在曝光制作過程之前，將亮黃(BY)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，并旋轉(zhuǎn)涂覆在玻璃基上，得到均勻的薄膜，然后在熱板上干燥。然后對薄膜樣品進行偏振干涉曝光。之后，在旋涂過程中還加入了手性摻雜劑和感光劑。涂覆后的薄膜用紫外光固化。最后，反復(fù)涂覆和固化，直到達到足夠的厚度。

    1.3 納米光學(xué)方案

    超透鏡具有數(shù)值孔徑大、形狀因子超薄、通用性強等優(yōu)點。

圖10. 基于超透鏡的AR-HMD光學(xué)方案與加工制備流程

    超透鏡的子單元納米棒結(jié)構(gòu)如圖10a所示，在SiO₂基板上按照一定的位置和方位排列大量的納米棒單元可以形成超透鏡。

    如圖10b所示，基于超透鏡的相位調(diào)制，其中對虛擬信息手性為σ的光產(chǎn)生透鏡的會聚作用，對來自真實場景的光的手性為−σ不產(chǎn)生效應(yīng)直接透射，通過上述基本原理實現(xiàn)AR透視成像。

    如圖10c所示，對應(yīng)反射型超表面AR-HMD。如圖10d-e所示，為對應(yīng)納米壓印制備大尺寸超透鏡的流程圖。整個過程有兩個步驟。

    圖10(d)使用標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻工藝，制備具有超表面圖案的母版，用于納米壓印。然后用電子束蒸發(fā)器蒸鍍幾層薄膜。

    圖10(e)對于目標(biāo)樣品，使用LPCVD和旋轉(zhuǎn)涂層制備具有多晶硅薄膜和粘合劑層的石英薄片。包含Au、Cr和SiO₂薄膜的超表面圖案被轉(zhuǎn)移到晶圓上。然后，樣品被蝕刻，其中Au和Cr圖案被用作蝕刻的硬掩膜。通過Cr蝕刻劑去除Cr掩膜和其他殘留，并進行進一步的蝕刻處理，最終制成樣品。

    本文從宏觀光學(xué)、微觀光學(xué)和納米光學(xué)三個方面綜述了AR-HMD光學(xué)解決方案的研究進展和發(fā)展前景。

    基于斯涅爾折反射定律的宏觀光學(xué)解決方案經(jīng)歷了從傳統(tǒng)光學(xué)解決方案到自由棱鏡和幾何光波導(dǎo)解決方案的轉(zhuǎn)變，顯著提高了AR-HMD系統(tǒng)的成像質(zhì)量和緊湊性。自由曲面棱鏡的使用有效地擴展了視場，減少了傳統(tǒng)光學(xué)元件的使用。平面光波導(dǎo)進一步減小了系統(tǒng)的體積和重量。

    基于微光學(xué)解決方案的衍射光柵器件的使用使AR-HMD更輕薄，然而視場角和全彩顯示依然是限制衍射波導(dǎo)發(fā)展的重要因素。表面浮雕光柵SRG波導(dǎo)通常需要堆疊多層波導(dǎo)才能實現(xiàn)全彩顯示，而體全息光柵VHG波導(dǎo)通常需要三步曝光，這容易造成全彩色雜光串?dāng)_，使得實現(xiàn)大視場的全彩色顯示變得困難�；�于液晶器件PVG在擴展視場的同時顯著提高了衍射效率，這是新興AR-HMD組合器的研究方向。

    對于納米光學(xué)解決方案，超透鏡也已經(jīng)逐步探索應(yīng)用于AR-HMD，在一定程度上實現(xiàn)了具有大視場和大NA的超薄目鏡的設(shè)計。

    隨著設(shè)計方法的創(chuàng)新、不同技術(shù)的有效融合、制造工藝方法的進步以及新興材料/器件的出現(xiàn)，相信在不久的將來，具有普通眼鏡形態(tài)的AR-HMD光學(xué)解決方案將會實現(xiàn)。

    論文信息：

    Dewen Cheng, Qiwei Wang, Yue Liu, Hailong Chen, Dongwei Ni, Ximeng Wang, Cheng Yao, Qichao Hou, Weihong Hou, Gang Luo, Yongtian Wang. Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook[J]. Light: Advanced Manufacturing. ‍https://doi.org/10.37188/lam.2021.024‍