深度解析增强现实头戴显示器的设计与加工

    近年来，增强现实头戴显示器（AR-HMD）被广泛认为是“未来黑科技”。然而，这并不是一个新概念。虽然虚拟现实(VR)和增强现实(AR)经常被同时提到，但它们是完全不同的概念。

    VR-HMD技术将用户置于一个完全由计算机生成的虚拟世界，包括游戏、电影和直播。

    AR-HMD技术不仅可以让用户看到眼前的真实场景，还可以帮助用户同时看到计算机生成的真实场景中不存在的虚拟信息。

    AR-HMD可以通过声音、视频、图形、导航数据的实时叠加来增强现实世界，为人们的工作和生活提供信息帮助。

    由于AR-HMD对用户体验进行了颠覆性的升级，可广泛应用于航天航空、智能制造、信息交互、移动办公、影音娱乐等众多领域，被认为是继PC、智能手机等智能通信和计算终端设备之后的“下一代计算平台”。

    光学透视式是目前AR-HMD的主要研究方向，它通过使用可透明的光学组合器元件和微显示器使显示屏幕与现实世界的可视窗口一致，确保真实场景和虚拟图像能够同时到达人眼，由此实现联结现实世界和虚拟世界。

    AR-HMD的发展仍然面临巨大挑战。由于它是一种头戴式设备，体积大、重量大的系统不适合人们长时间佩戴，因此需要一个符合人体工程学的AR-HMD光学系统解决方案。

    由于加工技术的限制，早期的光学系统需要使用大量的球面透镜来校正巨大的像差，这无疑增加了系统的重量。由于AR-HMD是一种目视光学系统，眼瞳箱的大小限制了人眼的观看位置，为了达到佩戴舒适，光学系统需要提供一个大的眼瞳箱。此外，为了能满足应用需求，迫切需要大视场(FOV)、大数值孔径、高分辨率AR-HMD。然而，由于光学不变量的限制，同时实现大视场、大数值孔径和高分辨率是困难的。微显示器的显示光谱带宽需要与人眼的敏感光谱区域相匹配，商业应用需求一般要求AR-HMD具有全彩显示能力，这就引出了消色差或校正色差的问题。为了使外部环境与虚拟信息之间形成足够的亮度对比，微显示器需要在人眼的舒适范围内有较大的亮度调节范围，因此高光效率的硅基液晶(LCOS)、有机发光二极管(OLED)等微显示器仍然是必要的。

    结合上述光学要求，AR-HMD光学系统是一种具有大视场和大数值孔径(NA)的光学成像系统。如何同时实现轻薄、大视场、高分辨率、低色差全彩色、大眼瞳箱、高光效的AR-HMD的光学方案已成为公认的科学难题。

    鉴于此，北京理工大学王涌天教授、程德文教授等人以“Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook”在 Light: Advanced Manufacturing 发表综述论文。

    AR-HMD光学方案的分类

    目前AR-HMD光学组合器的解决方案如图1所示，主要分为宏观光学方案、微光学方案和纳米光学方案三大类。

图1. AR-HMD 光学方案

    1. 宏观光学解决方案包括传统光学、自由棱镜和几何光波导解决方案，主要基于斯涅尔折反射定律

    2. 微光学解决方案包括SRG、VHG和PVG衍射光栅解决方案，主要基于光栅的衍射效应

    3. 纳米光学解决方案包括超透镜和超表面反射器解决方案，主要基于纳米微结构的相位调制

    AR-HMD光学显示方案

    1.1 宏观光学方案

    1.1.1 传统光学方案

    如图2所示为部分代表性传统AR-HMD光学方案。

图2. 传统AR-HMD光学方案

    图2a所示为一个基于传统目镜结构的光学透射式AR-HMD，通过平面分光耦合元件，将虚拟信息与真实环境耦合到一起，实现增强现实显示的功能，然而其视场角非常小。

    图2b是早期被大量采用的一类AR-HMD光学方案，其中中继投影镜头组提供了系统主要的光焦度，可以增大系统的成像视场角，此外该类AR-HMD光学方案具有很高的光学透过率和较大的眼瞳箱尺寸和出瞳距离，大量应用于航空领域。

    如图2c所示，利用单片自由曲面半透半反镜实现的一次折反AR-HMD由于系统中成像光学元件仅一片自由曲面，可以极大的减轻系统的重量，缓解了用户佩戴的沉重感。但像差较大，同时也引入了较大的畸变。

    如图2d所示，BirdBath光学方案中包括一个平面分光耦合元件以及一个曲面分光耦合元件，通过两个耦合元件，将由上方微显示器显示的图像与真实世界联系起来。本质上该光学系统中镜片的共轴性仍然存在，因此像差较小。

    1.1.2 自由曲面棱镜方案

    自由曲面面型描述以及设计方法的发展促进了光学设计领域的发展。自由曲面棱镜由于体积小，重量轻，可实现大视场角、高分辨率、大出瞳直径和透视显示。

图3. 自由曲面棱镜光学方案

    如图3a所示，我们团队提出了基于自由曲面棱镜的AR-HMD的具体设计方法，并提出由一块自由曲面楔形棱镜L1和自由曲面透视补偿透镜L2拼接的新结构。虚拟成像光路的光线从微显示器出发通过自由曲面棱镜的表面S3透射进入棱镜内部，然后在表面S1′上发生全反射后到达光学表面S2，再次经过表面S2反射，经过棱镜的前表面S1透射最终离开棱镜并进入人眼。来自真实场景的光线依次透射通过自由曲面透视补偿棱镜L1和楔形棱镜L2后进入人眼。

    之后我们团队也提出了拼接自由曲面棱镜，如图3b所示，进一步增加了单目显示视场，达到82度。基于自由曲面棱镜光学方案，现已实现120°对角视场，出瞳大小为6mm。

    图4给出了自由曲面闭环反馈加工的核心过程：模具和模仁加工、模仁检测、注塑成形、像质评价。当未达到设计的成像精度目标时，可通过加工补偿实现面形的补偿加工。

图4. 自由曲面闭环加工核心流程

    1.1.3 几何波导方案

    几何波导采用反射镜将光线耦合进来，并使用分光镜阵列将光线耦合出射。

图5. 几何波导光学方案

    如图5a所示，几何波导显示器由三部分组成，分别是微型显示器，投影光学器件和几何波导光学器件，在这三个部分中，波导用作光瞳扩展器，并且是减小AR-HMD厚度的关键因素。来自微型显示器的图像通过投影光学器件到达波导中的入射镜，之后光线通过全内反射条件（TIR）在基板上连续反射，当光线到达分光镜阵列（PRMA）后，PRMA将光从波导中耦合出射进入人眼。

    如图5b所示，一种具有两个几何波导的AR-HMD，两个波导以很小的空气间隔堆叠在一起，以便光可以独立地在两个波导内部传播，最终实现大视场显示。几何波导的加工流程如图7所示。

    1.2 微光学方案

    1.2.1 表面浮雕光栅SRG

图6. 表面浮雕光栅SRG

    如图6a所示为一般一维二元矩形光栅的基本结构，包含有周期，深度，占空比。

    如图6b所示，准直光束由入耦合光栅向两个对称方向衍射并进行全反射传播，最后通过出耦合光栅出射被人眼接收。为保证眼睛沿着波导内光传播方向移动能看见完整图像，需要对出耦合端进行出瞳扩展，以扩大眼瞳箱。倾斜式的表面浮雕光栅打破矩形光栅本身的对称性，可以在特定级次上实现很高的衍射效率。

    如图6c所示为倾斜式表面浮雕光栅。

    如图6d所示，为实现出瞳扩展，当光打到出耦合光栅元件，一部分光会被衍射从波导出射，另一部分光继续全反射，全反射光每次与出耦合光栅作用时都会有衍射光出射，剩余光继续沿着原方向全反射。

    表面浮雕光栅主要通过电子束刻蚀技术制造。制作过程如图7所示，以SiO₂作为基底，在基底上涂覆有铬层(Cr)和抗腐蚀剂层(resist)，然后利用激光的全息记录技术对对抗蚀剂层进行刻印。再通过氯干腐蚀工艺将抗蚀剂图案转移到铬层中。在刻蚀工艺完成之后，再将剩余的光刻胶用氧等离子体过程剥离（oxygen plasma process），获得了具有用于后续氟利昂化学反应离子束蚀刻(RIBE)的极好的垂直剖面形状。在RIBE（反应离子束刻蚀，reactive ion beam etching (RIBE)）刻蚀过程中，电离氩束以斜入射角射向衬底。在蚀刻腔中加入反应气体(氟利昂)，最终在SiO₂中蚀刻了一个斜栅。在RIBE蚀刻后，用标准湿法蚀刻工艺去除Cr掩模。为了大批量生产AR衍射光栅，纳米压印(NIL)是最适用的方法。利用压印技术，对母板进行接近1：1的压印复制，可实现对母版的大批量复制制作，且能保证复制光栅的性能稳定。

图7. 表面浮雕光栅制造工艺的基本流程

    1.2.2 体全息光栅VHG体全息光栅波导系统（VHG）是平板波导的另一种解决方案。相比较于表面浮雕光栅而言，体全息光栅是基于光的干涉原理制作的具有周期性折射率变化的三维立体结构，当光线入射时，根据布拉格衍射的特点，只有特定角度入射的特定波长光线才可以以高衍射效率出射，由于其出色的波长和角度选择性，体全息光栅开始被广泛应用于近眼显示领域。

图8. 全息光栅波导与其的曝光制备光路

    如图8（a）所示，当光在玻璃基板上完全反射时，一旦到达全息表面就会发生衍射。而衍射光不再满足全反射的条件，将从玻璃板中发射出来。同时可以调节入瞳的大小，实现连续的出瞳区域。

    之后如图8（b）所示，通过堆叠入耦合和出耦合体全息光栅，发展出了彩色的VHG耦合光栅波导。然而，这些全息光栅叠加会使系统产生杂散光。

    体全息光栅的制作主要分为制胶、旋涂、晾干、曝光及后处理过程。全息光栅记录光路图如图8（c）,曝光时，激光器发出激光,通过分束镜之后分为具有一定光强比的光束,经过扩束准直及反射镜反射之后,入射到预涂好光胶的全息干板上,曝光干涉形成干涉条纹。

    1.2.3 偏振体全息波导PVG

图9. 偏振体全息光栅PVG用于衍射波导AR-HMD及其加工制备方法

    如图9a所示，在PVG中，液晶分子LC光轴在xz平面的旋转角度是利用顶基板形成的，并沿x轴周期性地变化。在PVG的顶部衬底下，LC沿y轴呈螺旋周期结构。这种方法产生了大量的周期性和倾斜折射率表面(绿色虚线)，由此实现光束的衍射偏转。

    如图9b所示，给出了PVG波导AR-HMD光路图。两个左旋和右旋PVGs叠加成入射耦合光栅。入射耦合光栅衍射左圆偏振光和右圆偏振光并传输另一正交偏振光。传播图像最终由两个出射耦合光栅分别出射到人眼。

    图9c显示了制备PVGs的流程图。在曝光制作过程之前，将亮黄(BY)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，并旋转涂覆在玻璃基上，得到均匀的薄膜，然后在热板上干燥。然后对薄膜样品进行偏振干涉曝光。之后，在旋涂过程中还加入了手性掺杂剂和感光剂。涂覆后的薄膜用紫外光固化。最后，反复涂覆和固化，直到达到足够的厚度。

    1.3 纳米光学方案

    超透镜具有数值孔径大、形状因子超薄、通用性强等优点。

图10. 基于超透镜的AR-HMD光学方案与加工制备流程

    超透镜的子单元纳米棒结构如图10a所示，在SiO₂基板上按照一定的位置和方位排列大量的纳米棒单元可以形成超透镜。

    如图10b所示，基于超透镜的相位调制，其中对虚拟信息手性为σ的光产生透镜的会聚作用，对来自真实场景的光的手性为−σ不产生效应直接透射，通过上述基本原理实现AR透视成像。

    如图10c所示，对应反射型超表面AR-HMD。如图10d-e所示，为对应纳米压印制备大尺寸超透镜的流程图。整个过程有两个步骤。

    图10(d)使用标准电子束光刻工艺，制备具有超表面图案的母版，用于纳米压印。然后用电子束蒸发器蒸镀几层薄膜。

    图10(e)对于目标样品，使用LPCVD和旋转涂层制备具有多晶硅薄膜和粘合剂层的石英薄片。包含Au、Cr和SiO₂薄膜的超表面图案被转移到晶圆上。然后，样品被蚀刻，其中Au和Cr图案被用作蚀刻的硬掩膜。通过Cr蚀刻剂去除Cr掩膜和其他残留，并进行进一步的蚀刻处理，最终制成样品。

    本文从宏观光学、微观光学和纳米光学三个方面综述了AR-HMD光学解决方案的研究进展和发展前景。

    基于斯涅尔折反射定律的宏观光学解决方案经历了从传统光学解决方案到自由棱镜和几何光波导解决方案的转变，显著提高了AR-HMD系统的成像质量和紧凑性。自由曲面棱镜的使用有效地扩展了视场，减少了传统光学元件的使用。平面光波导进一步减小了系统的体积和重量。

    基于微光学解决方案的衍射光栅器件的使用使AR-HMD更轻薄，然而视场角和全彩显示依然是限制衍射波导发展的重要因素。表面浮雕光栅SRG波导通常需要堆叠多层波导才能实现全彩显示，而体全息光栅VHG波导通常需要三步曝光，这容易造成全彩色杂光串扰，使得实现大视场的全彩色显示变得困难。基于液晶器件PVG在扩展视场的同时显著提高了衍射效率，这是新兴AR-HMD组合器的研究方向。

    对于纳米光学解决方案，超透镜也已经逐步探索应用于AR-HMD，在一定程度上实现了具有大视场和大NA的超薄目镜的设计。

    随着设计方法的创新、不同技术的有效融合、制造工艺方法的进步以及新兴材料/器件的出现，相信在不久的将来，具有普通眼镜形态的AR-HMD光学解决方案将会实现。

    论文信息：

    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