增强和混合现实设备的波导

混合现实和增强现实 (MR/AR) 设备有一个共同特点，将它们与虚拟现实 (VR) 设备区分开来：它们是透明的。

VR 设备的商标是它们如何将用户的视野完全封闭在耳机中，以产生身临其境的虚拟环境。相比之下，AR/MR 耳机和智能眼镜将图像投射到清晰的显示表面上，使用户能够看到真实世界。

AR/MR 设备中的波导

波导是具有独特透光特性的透明塑料或玻璃薄片。这是在 AR/MR 中实现增强可视化的主要技术。

已经是众所周知的概念，波导已被用于多种技术应用，例如 LED 背光、全息图、光纤等。在所有形式中，波导都用于以特定的图案、方向或形状引导电磁波。 

近眼设备 (NED) 中的光波导有助于组合和弯曲光线以将其引导到眼睛中，并产生佩戴者观察到的虚拟图像，覆盖在环境中。

全内反射 (TIR) 过程用于传播光场，其中光在波导层的外边缘和内边缘之间反射，光泄漏有限。 

AR 设备的全内反射 (TIR) 机制示意图：平面玻璃波导层通过输入耦合器（入瞳）接收光，并在层边缘之间反射光而不会丢失（泄漏）光，直到到达输出耦合器（出瞳）。

VR 头显可以呈现来自成像系统或直接位于用户面前的投影仪的图像，但 AR/MR 工具需要“透视”功能。

”成像系统不能挡住前视，因此需要一个或几个额外的光学元件来组成一个“光学组合器”。”

“光学组合器在将外部光传输到人眼的同时反射虚拟图像，将虚拟内容叠加在真实场景之上，使它们相互补充和‘增强’。

NED 中的波导技术利用“隐藏在视线之外的图像投影仪 [to] 将图像投影到显示镜头的小周边区域，然后将其沿镜头传播到眼睛前方的提取点。

波导本质上起到“透明潜望镜”的作用，具有单个入瞳和许多出瞳。

将 VR 设备（左）的配置与直接在用户视野中的显示和光学模块（镜头、投影仪、不透明显示表面）与 AR 设备（右）的配置进行比较，其中透明光学组合器（波导）接收光输入同时来自显示和现实世界，将它们结合起来，为用户呈现一个集成的场景。图片来源：Radiant Vision Systems

波导采用

为了提高消费市场的采用率，AR/MR 设备需要具有最小的体积或重量，并具有紧凑的外形，同时提供具有大视场 (FOV) 的高质量图像。

光学组合器有多种形式，但迄今为止，波导是唯一能够为 AR 获得最佳视觉质量的形式。波导已成为迄今为止推出市场的几款 AR 设备的主要元素，例如 Magic Leap、HoloLens 等。

AR/VR 设备采用率一直处于增长轨道，预计将加速，从 2020 年的行业销售额 176.7 亿美元到 2028 年超过 260 亿美元，复合年增长率为 4.3%。

大约 65% 的市场由头戴式设备 (HMD) 组成，例如智能眼镜、建筑和施工、教育、导航和医疗保健中的 AR/MR 应用正在激发持续发展，并有助于提高光波导的采用率。

波导结构

AR/MR 设备中使用的波导通常是玻璃基板，其厚度可以从亚纳米到几纳米不等。

耦合器和波导架构的差异以及表面涂层或光栅的应用使开发人员能够生产几乎无限的波导结构以适应各种应用。

“波导合路器的核心由输入和输出耦合器组成。这些可以是简单的棱镜、微棱镜阵列、嵌入式镜阵列、表面浮雕光栅、薄或厚的模拟全息光栅、超表面或谐振波导光栅，除了弯曲组合器、自由形式光学器件和分束器，所有这些都提供了明显的弱点和好处。

通过堆叠多个波导组合器可以实现具有更大视场的优化彩色图像。

多层波导示意图：每个波导组合层传输光波长光谱的一部分（红色、绿色、蓝色）。每层之间的气隙产生所需的 TIR 条件，并允许潜在的额外光谱或偏振滤波。图片来源：  AR VR 旅程

在当代用于 AR/MR 应用的 HMD 系统中，主要使用四种关键类型的波导：

反光的

反射波导利用模制塑料基板将半反射镜和光波引导到眼睛前方。

图像在微型显示器上产生，通过准直透镜放大，“准直光波通过波导传输到半反射镜。最后，人眼看到的图像同时反射到镜子和现实世界中。

Epson 的 Moverio 和 Google Glass 设备使用反射型波导结构。

偏振

也称为半透反射的偏振波导需要几层偏振和涂层反射器，它们平行放置并抛光以有效地引导光波。Lumus 的透明 AR 产品系列采用了这种波导。

衍射

衍射波导是 AR 显示器最常用的波导结构。

由于倾斜的光栅（称为耦合器），入射光波以一定角度进入波导。光通过波导并通过称为外耦合器的附加倾斜光栅在出射光瞳处被引出。

输入和输出耦合器通常由具有倾斜光栅的衍射光学元件 (DOE) 创建。Magic Leap One、Vuzix Blade 智能眼镜和 Microsoft HoloLens 是利用衍射波导结构的设备的一些示例。

全息

它们与衍射波导具有相似的结构，全息光学元件 (HOE) 用作输入和输出耦合器，而不是 DOE。

多色 (RGB) 或单色 (RGB) 光波可以被 HOE 反射。HOE 是在全息图记录过程中利用入射角的激光照射创建的

用于 AR/MR 器件的一些常见波导结构的示意图以及光栅结构的相应图像：（a）偏振（半透反射），（b）表面光栅衍射，和（c）全息（体积全息光栅衍射）。图片来源：AR VR 旅程

在任何衍射波导中，关键元件是光栅，定义为“周期性光学结构”，其周期性可以由材料表面上的压纹波峰和波谷表示，也可以由由全息技术中的激光干涉”。

测量 AR/MR 设备的波导性能

光学元件的物理特性，例如波导或透镜，总是会在一定程度上影响通过元件引导的光。

当光线从AR 波导传播到用户的眼睛时，它已经多次通过光学结构反射，这取决于光栅的衍射效应、反射和入射角以及其他几个参数。

此过程会影响光学效率，这意味着当光能从源显示器移动到用户的眼睛时，它会降低光能。

如人眼所见，此过程会在虚拟图像中产生较差的对比度、清晰度和亮度。在透明 NED 设计中管理图像质量尤为重要，其中叠加的图像在各种环境照明环境中对用户来说应该是清晰可见的。

衍射波导容易受到灰度图像中色调的挑战，导致图像中的颜色（色度）和亮度（亮度）不规则。

衍射波导的投影在中等灰度像素上表现出亮度和色调的不均匀性。（图片 来源）。

最近的一份报告显示，根据入射角，即使是光波导表面上的一些粗糙度也会降低显示器的图像质量，正如 MTF（调制传递函数）研究所量化的那样。

研究入射角对波导表面的影响的图像。(a) 和 (b) 分别为 65° 和 75°。灰度图像 (c) 和 (d) 对应于图像 (a) 和 (b)。MTF 计算在区域 (e) 和 (f) 中进行。（图片 来源

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