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光子学照亮增强现实的未来

2023-4-10 08:33| 发布者: 光执事| 查看: 2080| 评论: 0

摘要: 在墨西哥湾,一个海上石油钻井平台经历了严重的机械故障。具有解决问题的专业知识的工程师回到了大陆,在短时间内将他们空运到现场将成本高昂且后勤困难。但是,如果这些专家可以在不离开家的情况下远程指导钻井平台 ...

更紧凑、更高效、更复杂的光引擎和波导设计正在帮助增强现实成为物质现实。

 

MICHAEL EISENSTEIN,特约编辑

 

在墨西哥湾,一个海上石油钻井平台经历了严重的机械故障。具有解决问题的专业知识的工程师回到了大陆,在短时间内将他们空运到现场将成本高昂且后勤困难。但是,如果这些专家可以在不离开家的情况下远程指导钻井平台的机械人员完成维修呢?


Magic Leap 最新一代 AR 耳机具有分段调光功能,可在低光和明亮的环境中提供一致、清晰的图像。由Magic Leap提供。


当代的大部分“元宇宙”炒作都专门围绕虚拟现实 (VR) 展开,它让用户完全沉浸在数字生成的世界中。但是VR头显很麻烦,大多数用户发现这种体验在很长一段时间内会迷失方向,甚至令人作呕。增强现实(AR)采用更微妙的方法,将数据和图像叠加到用户的真实世界视图上。这种能力可以使石油钻井平台的紧急维修更加高效。

“如果有人已经在那里并且可以戴透明眼镜,专家可以通过船员的眼睛观察并增强他的视野,”光学公司DigiLens的产品工程和管理副总裁Nima Shams说。

AR在军队中已经变得司空见惯,这个领域的公司正在开发解决方案,可以改变许多专业人士的工作和协作方式。

AR公司Lumus的首席光学科学家Jonathan Gelberg曾与使用AR的公司合作,帮助消防员营救被困人员,协助建筑师进行设计项目,甚至在手术过程中指导外科医生。

“有一个特定的案例,医生做了背部手术,而不是在他周围的屏幕上查看脊柱的图像,脊柱叠加在病人的实际背部,这实际上将手术的持续时间减少了一半,”盖尔伯格说。

在不久的将来,AR系统甚至可以变得如此轻巧和不显眼,以至于它们可以全天佩戴,并作为智能手机的直接延伸,让用户保持眼睛向上而不是埋在屏幕中。但该技术还远未成熟,开发人员仍在努力应对各种技术挑战和权衡,必须解决这些挑战和权衡,以创造舒适和身临其境的AR体验。

让有 AR头显的光学工作原理基本上归结为两个组件:光

引擎和组合器。主要视觉输出由光引擎生成,相当于一个微型投影仪或显示器,然后通过组合器元件将其转换为单元镜头上的图像。但是可以采取多种方法来设计这两个元素。

 

超紧凑的光引擎现在可以集成到无害、轻便的AR眼镜中。由TriLite提供。

考虑光引擎。目前,应用最广泛的设计涉及激光束扫描,它用于微软HoloLens 2等AR耳机。其原理类似于老式的阴极射线管监视器 - 显示器由激光束“绘制”,激光束通过微小镜子的偏转迅速光栅。这种方法提供了出色的亮度,也可以非常紧凑。例如,TriLite Technologies开发了一种简化的激光束扫描仪设计,消除了不必要的光学元件,实现了仅1厘米3的体积。

“这为我们提供了最小,最轻,也最明亮的解决方案 - 在效率意义上 - ”TriLite的联合创始人兼首席技术官Jörg Reitterer说。然而,激光束扫描可以产生的图像质量有限,帧速率通常在60到90 Hz之间。 “有时你可以看到闪烁,”中佛罗里达大学光学与光子学学院CREOL的AR / VR研究员Shin-Tson Wu说。

“与基于有源矩阵的显示器相比,激光束扫描的分辨率和清晰度要差得多。

但这种显示器也有其自身的挑战。

例如,围绕微型LED面板存在相当大的兴奋,这可能会产生高 高质量图像,无需单独的照明元件。然而,组装RGB微型LED显示器通常需要费力地组装三个独立的单色micro-LED微型显示器以及集成图像的光学元件。这可能会混淆制作紧凑、高分辨率显示器的努力。

 

 

扫描的激光束在AR显示器中产生一只蝴蝶。由 riLite 提供。

 

“对于微型LED,随着像素尺寸减小到2.5μm,效率下降,”Wu说。或者,可以将彩色滤光片应用于单色白光LED面板,但这也大大降低了显示效率。

Nreal和联想等公司已经在推进微型LED的发展,但其他公司正在等待技术成熟。

“最终,它们将下降到我们需要的像素大小,以及我们在大视野中取得成功所需的效率,”Magic Leap光学工程副总裁Kevin Curtis说。“一旦你这样做了,那么你真的可以制作一些非常小的目镜。

目前,最流行的替代光引擎是基于硅上液晶(LCOS),其中激光或LED光源通过液晶覆盖层传输和调制。“我们可以通过当前的LCOS技术以及亮度实现非常非常高的分辨率,”Lumus营销副总裁David Goldman说。该公司可以实现2至3μm的像素尺寸。

 

 

随着每一代AR头显的出现,视野都在逐渐增加。由Magic Leap提供。

直到最近,规模一直是LCOS的障碍。根据CREOL的Wu的说法,这种光引擎可以比激光束扫描仪或micro-LED系统大3×以上。但有几家公司在这方面正在取得进展。他引用了一家名为Himax Technologies的公司开发的前光LCOS设计,该设计可以缩小到仅0.5厘米3。

图像管理

光引擎产生的照明通常来自AR头戴式设备上镜头的外边缘,随后必须传递到佩戴者的眼睛。这就是组合器元件的用武之地。

一些AR系统,如Nreal和高通公司的AR系统,使用一种称为“鸟浴光学”的方法,其中曲面镜和分光镜直接将投影图像从光引擎中继到眼睛。这带来了出色的效率。大部分透射光被传递,但添加的光学元件使目镜更笨重,并使佩戴者的眼睛与外界隔绝。在 2021 年的一项分析中,AR/VR 博主卡尔·古塔格(Karl Guttag)表示,Nreal 光学器件可防止 75% 进入镜头的光线退出。

“这就像你在室内一直戴着太阳镜,没有人能看到你的眼睛,”DigiLens的Shams说。这对于娱乐或媒体消费来说可能不是问题,但对于AR使用需要与另一个人互动的设置来说,这是有问题的。

 

 

一些笨重的头显设计更注重性能而不是舒适性,但其他AR制造商的目标是生产可以整天佩戴的轻质眼镜。由 riLite 提供。

 

作为替代方案,许多当前 头戴式设备在镜头本身上使用波导功能。在这种设计中,光进入镜片上的透明层,在那里它最初被全内反射捕获,然后在与波导中的物理特征相互作用后被中继回佩戴者。

“当我们使用波导时,我们在获得更大的眼箱方面获得了一些优势,”吴说,指的是佩戴者可以感知AR内容的镜片后面的体积。较大的眼盒通常可提供卓越的体验,并可容纳更多具有不同头部尺寸和眼睛间距的佩戴者。

这些波导中的大多数都采用衍射光栅,这为转向灯提供了一种成熟的方法。但衍射波导也可能效率低下且有损,而且大规模制造成本很高。自 为了解决这个问题,DigiLens设计了一种制造策略,可以产生具有更大尺寸的高质量衍射波导 定制选项,成本更低。DigiLens没有使用典型的半导体代工式制造,而是使用简单的激光打印工艺在夹在两块玻璃之间的聚合物层上创建布拉格结构。

 

 

 

玻璃相当便宜, 聚合物是几分钱,因为它的数量太小了,“Shams说。还有我们的光学数字 生产速度超过每流明500尼特,这是最高效的。

Lumus开发了一种独特的AR波导,采用反射设计,将微小的多面镜子整合到玻璃表面。Goldman说,它们的角度和涂层方式使佩戴者不会注意到它们,而且,在大多数角度,任何观看佩戴者的人也不会注意到它们。这种设计产生了非常有效的透光率,并消除了衍射波导可能出现的现实世界物体的变色 - 特别是在观察纯白色表面时,这可能会产生分散注意力的彩虹效果。这些反射波导的制造比衍射波导更具挑战性,但与德国玻璃制造商肖特的合作使Lumus走上了大规模生产的道路。

一些波导比其他波导效率低下,并且倾向于泄漏从显示器向外而不是向内投射的视觉效果。这会产生令人不安的眼睛发光,如果正在查看个人信息,甚至可能构成安全风险。

新的波导设计旨在解决这个问题。DigiLens报告称,其波导的泄漏率低于8%Lumus声称其产品的损失低于4%

追求完美的包装

头戴式设备的系统设计会严重影响许多其他因素,这些因素将最终决定用户的AR体验质量。

例如,亮度在很大程度上取决于显示器和波导之间的相互作用。有损波导将需要更强大的光引擎,而更高效的波导将更能容忍显示器的缺点。
亮度不是一个放之四海而皆准的主张,特别是如果用户打算在室内和室外都戴AR眼镜。


吴说,大多数耳机的目标是对比度(即亮度)。 显示器中最亮和最暗元素之间的差异)在环境光下为 51。但这不能通过简单地给投影仪打气来解决。

如果环境光是3000尼特,那么显示器必须有15000尼特,这可能对我们的眼睛有害,吴说。

一种解决方案是动态调暗镜头以响应外部光线。

Magic Leap 2 包含了一个特别创新的解决方案来解决这个问题。其调光系统既可以在全球范围内运行,以广泛阻挡环境光,也可以在显示器的选定区域运行,其中正在显示增强的内容。这有助于显示图形相对弹出 到他们的背景,从而产生更坚实的 3D 图形,降低透明度。

视野(FOV)是AR设计师的另一个障碍,公司正在争夺AR图像可以占据多少视觉空间的吹嘘权。但预期的应用在这里很重要。Magic Leap 2耳机目前处于领先地位。视场对角线跨越70°,根据Wu的说法,这接近基于波导的系统可以实现的78°的理论最大值。

Magic Leap的柯蒂斯说,推动更广泛的FOV是由于用户对第一代耳机的失望,第一代耳机通常提供50°FOV那真的不是身临其境的,我们肯定听到了。这促使该公司基于创新的LCOS设计从根本上重塑了他们的光学器件。这使我们能够制作一个非常小的目镜,支持一个非常大的眼盒和一个非常大的视野,他说。

 

但对于许多应用,例如提供平视显示器或协助佩戴者直接在他们面前完成重点任务,更窄的视图可能是 足够。可穿戴原型 根据Reitterer的说法,TriLite基于该公司最新一代的Trixel 3光引擎,其视场角为30°,用于此类信息目的。

它还可以支持更身临其境的显示类型,他说,并指出双目系统可以通过组合两个重叠的图像来产生更丰富的体验,即使每个镜头的FOV相对较窄。

还有一个挑战是将所有东西缩小以适合紧凑舒适的包装。

一些耳机设计采用更笨重、更简洁的方法,既能带来高性能,又能限制设备的佩戴时间。我们的愿景是为每个人带来轻便,全天可穿戴的眼镜,”Reitterer说。最终产品必须提供风格和实质。它最终不能看起来像一些技术演示或工业类型的设备。

开发轻质玻璃也会给光学设计带来负担,并要求制造商尽可能缩小光引擎和组合器的外形尺寸,而不会影响所需的亮度、分辨率和 FOV

 

最后是成本问题。许多领先的商业平台,包括HoloLens 2和Magic Leap 2,都针对企业用户,对他们来说,几千美元的价格可能不是问题 - 特别是与将工程师飞往石油钻井平台或将专家外科医生运送到全国各地相比。

 

Yole Développement最近的一项分析预测,AR耳机的销量将从420年的000万台跃升至2020年的64万台。要在公众中取得更广泛的主流成功,可能需要削减成本。但鉴于许多人很乐意为尖端智能手机支付超过5美元,更大的压力可能是开发一种能够在类似价格范围内为消费市场提供卓越体验的产品。

 

“他们习惯于计算,移动性和图像质量 - 所以设定了标准,”Shams说。“对于想要成为下一代移动计算机的技术,它绝不能妥协。

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