AR专利布局简要方法分析-刘伟星博士

2021-04-16

本篇文章主要介绍一篇微软公司在2020年初获得授权的一篇关于AR眼镜衍射光波导相关的发明专利,其名为波导(CN107250889B/US9513480)。

此专利主要公布了一种运用浮雕光栅光波导实现AR眼镜显示的技术,其基本架构如下图所示。

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这种架构中的光引擎位于眼镜的中间部位,具备两个出光口,分别显示左右双眼所需接受的图像信息,其光线经由入射耦合区进入波导光学器件,经过折叠区,进入出射区,最终入射到人眼中,实现AR显示的功能。下文主要介绍这个专利详细描述的几个方面。


基本成像原理

为实现AR显示的功能,需要将光引擎中显示的画面经过光波导不失真地传播到人眼中,其基本实现原理如下图。

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显示器上任意一个像素点X经过成像光学器件,被成像在无穷远处,换句话说,进行了一次面角转换,给定X的位置,其位置上发出的所有光线经过成像光学器件后,被准直到同一个方向,其方向可定义为一个单位方向向量kin(X),其方向与X的位置一一对应。这些方向的光线通过光波导器件出射,其方向可定义为kout(X),只要保证kout(X)与kout(X)完全一致,这些光线入射到人眼中,被人眼重新成像到视网膜上,从而确保了人眼观察到的图像不失真。光波导的设计主要就是保证这一点,同时尽可能的扩大eyebox使得人眼在较大的范围内都能观察到显示器显示的整个画面。


浮雕光栅(SRG)

当周期性结构是在光学组件的表面上时,其被称为表面光栅。当周期性结构归因于表面本身的调制时,其被称为表面浮雕光栅(SRG)。SRG的一个示例是在光学组件的表面中的被均匀直槽间隔区域分隔开的均匀直槽。槽间隔区域在此被称为“线”、“光栅线”和“填充区”。SRG的衍射的性质取决于入射在光栅上的光的波长和SRG的各种光学特性(例如线间隔、槽深度和槽倾斜角)。

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如上图所示,光束照射在垂直于光线组件表面的直槽结构上时,光束的+-1级衍射级次的能量占总光束能量的20%左右;当直槽具备一定的角度β和深度h时,+1级的衍射效率可以提高到80%;在更理想的情况下,如上最右侧所示的光栅结构,可以使得光束+1级的衍射效率提高到接近100%。

利用光束的衍射效应,可以使得光束在光波导器件中发生较大角度的偏折,使得其在波导中的传播角度满足全反射的角度条件,从而实现光无损耗的传播(如下图)。

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在入射波导的光经过若干次全反射后再次经过一个特定尺寸的光栅时,出射光波导,被人眼接受实现成像。光线通过光栅进入光波导类似于一个编码过程,再次经过一个光栅出射光波导类似于一个解码过程。


二维扩瞳

 为了进一步扩大eyebox来使得具备不同瞳距的人都能两只眼睛观察到完整的图像,此专利公开了一种浮雕光栅组合排列的方案。

其浮雕光栅的排列如下图所示,其包括入射耦合区、折叠区和出射区。光线进入入射耦合区后在光波导内发生全反射,向右侧折叠去传播,在折叠去分为横向和纵向两个方向传播,最终传播到出射区进入人眼。

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详细的,折叠区域的浮雕光栅与入射耦合区的光栅呈一定的角度A(如下图),以光线34(X)为例,当其从入射耦合区射入折叠区时,当反射到具有一定角度的浮雕光栅时,会发生衍射,其主级次沿原方向继续发生全反射传播,同记为34(X),其T-1级次的传播会发生偏折,记为42a(X);当34(X)经过一次全反射再此反射到浮雕光栅时,又会发生衍射并分裂为两个方向传播;42a(X)同理。在这种情况下,射入折叠区的光线实现了横向的扩瞳。当光线离开折叠去,会以相同的方向进入出射区,在出射区实现纵向方向的扩瞳,从而最终在两个维度实现扩瞳。

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干涉曝光边缘失真问题

光波导表面的浮雕光栅结构主要是利用半导体光刻技术,通过激光形成干涉条纹曝光来加工的,如上述,要求在特定区域加工不同的浮雕光栅,如下图。

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用上图所示传统的加工方法,会导致边缘区域浮雕光栅的立体结构产生较大失真,从而影响成像质量。此专利介绍了一种工艺流程改善这个问题,主要通过两次曝光的方法,其工艺流程如下图(图中光刻胶为负胶,曝光区域保留,非曝光区域被刻蚀)。

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本专利解决的另一个问题是由于二次装夹带来的位置误差,由上述可知三个衍射区域的光栅之间的角度有较高的要求,但是加工三个区域需要分别单独完成光刻与电子刻蚀流程,其中涉及到样品的从曝光仪器卸下再装夹的过程。通过曝光第一个区域时,单独曝光并刻蚀一个光栅在校准区域,如上图80的位置。在加工第二个光栅区域时,首先再次曝光同样光栅条纹在校准区域,通过两个条纹叠加可以产生一个云纹图案,通过这个图案可以获取二次装夹导致的角度偏差,从而可以实现角度矫正。

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