基于AR的HMD的全息波导技术介绍--李维娜 博士后

2020-10-02

1背景介绍

增强现实(augmented reality,AR)/混合现实(mix reality,MR)技术是虚拟现实(virtual reality,VR)的下一代技术,也是3D显示发展的方向。AR系统比VR系统更加注重互动性[1]。通常,AR系统包含一些电子和光学设备,例如微型电脑,投影仪,麦克风,扬声器,以及输入/输出耦合器,所以就很有必要使它的体积更小更轻便。

[2]上个世纪90年代,HITLAB 制造了ARToolKit。AR 游戏“ARQuake”在2000年时问世。针对安卓移动设备的Wikitude AR旅游导航在2008年被发布了。2013年,谷歌公司(Google)发布了Beta版的穿戴式的玻璃型的完全透视(see-through)的AR设备“谷歌眼镜”(Google Glass),它包含了微型计算机,照相机,投影仪,微型液晶显示器,手机,以及扬声器。它也能通过无线网络和蓝牙连接网络和其它设备。可实现的功能有收发邮件,浏览地图和相片,看视频,打电话,以及连接网络。2014年,索尼公司(Sony)发布了穿戴式的玻璃类型的85%透视率的AR设备“SmartEyeGlass”,它也包含了其他AR设备的一般功能,但是最重要的特点是这个系统是基于全息波导(holographic waveguide)结构,所以它体积小并且重量轻。2016年,Niantic Labs 发布了一款基于AR的移动游戏“Pokemon Go”,随后短时间内就成为了最流行的手机游戏,让AR技术吸引了更多的关注。2017年,苹果公司(Apple Inc.)宣布他们的新操作系统支持AR的数据,同年,微软展示了全息近眼显示的一个原型,它是一个利用全息波导的透视系统。谷歌眼镜,爱普生(Epson)的 Moverio,索尼的SmartEyeglass,Vuzix的see-through AR smart glass,以及微软的hololens都是采用了光学波导结构,如图1所示,因为光学波导结构使AR系统体积较小并且轻便。

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(a)                         

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(b)                        

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(d)                                             

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(e)

图1 当今流行的AR波导HMD的产品

(a)Glass Enterprise Edition 2 (from Google)  [Source: https://www.google.com/glass/tech-specs/]

(b)SmartEyeglass SED-E1 (from Sony)

[Source: https://developer.sony.com/develop/smarteyeglass-sed-e1/]

(c)Vuzix Blade (from Vuzix ) [Source: https://www.vuzix.com/products/blade-smart-glasses]

(d)MOVERIO BT-35E (from Epson)  [Source: https://tech.moverio.epson.com/en/bt-35e/]

(e)HoloLense 2 (from Microsoft)

[Source:https://www.microsoft.com/en-us/p/holoLens-2/91pnzzznzwcp/?activetab=pivot%3aoverviewtab]

2全彩色全息波导的介绍

在本文中,我们简单介绍一下基于AR的头戴式(head-mounted display,HMD)的全息波导技术。通常情况下,全息波导是由全息光学元件(holographic optical element,HOE)和玻璃构成的,如图1所示[3],其中两个HOE 薄膜(film)分别做为输入耦合器和输出耦合器,玻璃用来在两个耦合器之间传输光线(图像信号)。HOE film主要采用的材料是光致聚合物(photopolymer)。根据重建方式可以把HOE分为反射型(reflection-type)和透射型(transmission-type),其中透射型HOE是在重建过程中通过体全息光栅(holographic volume gratings,HVGs)耦入图像信号,而反射型HOE通过HVGs反射特定波长的波段,把图像信号传输到另一个方向的区域,HVGs是通过激光干涉记录在光致聚合物上的。所以,see-through AR显示系统采用反射型HOE的效果更好。

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图1 全息波导的结构示意图


首先,应该分析全息波导的衍射效率,即分析被衍射入波导的光学能量与总的接收到的光学能量之间的比率是多少。通常情况下,衍射效率越高,人眼观测的图像质量就越高,所以在全息波导结构里HOE的衍射效率直接影响最后现实的图像的质量,因此一定要较准确的测量和计算衍射效率,即测量的是记录在HOE上的HVG的衍射效率。

在参考文献[3]里采用光致聚合物作为输入耦合器(in-coupler)和输出耦合器(out-coupler),接下来简单介绍一下photopolymer的光学特征,因为它是被认为在透视AR显示的全息波导应用里表现最好的HOE材料。以期在全息波导AR显示器上显示全彩色的图像,所以利用红色,绿色,蓝色激光记录的HVGs将都被记录在HOE薄膜上,但不能同时记录,否则衍射效率会非常低。若仅使用其中一种激光时衍射效率都可高达97%,如图2 (c-e)所示。

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(a)

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(b)               

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(c)                  

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(d)                

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(e)

图2 (a)采用多色HOE的HMD系统; (b)输入图像(白色); (c)单独的红色激光HVG的输出图像;(d)单独绿色激光的HVG的输出图像; (e)蓝色激光HVG的输出图像。

然而,当需要获得全彩色的显示时,HOE的组成结构必须要同时解决全息波导的厚度,重量,颜色显示的均匀性,以及视场太小等问题。楔形结构的全息波导正好能通过高衍射率的HOE扩大视场和提高颜色显示的均匀性。把输入和输出耦合器放在一个特定的角度,波导的厚度就被全反射的大角度减小了,而且,因为HVGs可以选择更宽的角度,视场也被扩大了,如图3所示:

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                            (a)                                        

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(b)

图3 (a)楔形HOE全息波导结构示意图,(b)楔形结构图里波导光路的角度设计图


Piao 等人[4]测量了在单个HOE上利用全彩色的三种激光(包括:红色激光=633nm,绿色激光=532nm,蓝色激光=473nm)记录三次HVGs的顺序的衍射效率。比如,“红-绿-蓝”的意思是先用红色激光在photopolymer上记录HVG,接着用绿色激光在同一个photopolymer上记录HVG,最后用蓝色激光在同一个photopolymer上记录HVG,最后再测这个全彩色的HVGs分别对三种激光的衍射效率。总共做了6种顺序的测量,包括红-绿-蓝,红-蓝-绿,绿-红-蓝,绿-蓝-红,蓝-红-绿和蓝-绿-红,其中最优的顺序是绿-蓝-红,它们的衍射效率分别是49%,47% 和44%。因为在这种顺序记录时表现出了更高的光学效率和更均匀的分布,并且具有获得高质量图像的潜能。如图4所示,可以观察到绿-蓝-红的激光顺序表现出最高的颜色均匀性和统一性。

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(a)               

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(b)               

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(e)              

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(f)

图4 楔形波导的实验结果,(a)输入图像(白色);(c)单独的红色激光HVG的输出图像;(d)单独的绿色激光的HVG输出图像;(e)单独的蓝色激光的HVG输出图像;(f)采用绿-蓝-红记录序列的全彩色HVGs的输出图像

虽然采用光学波导技术的HMD有着体积小,轻便易携带,并且很好地掌握角度和频谱的敏感度等优点,但是目前市场上流行的光学波导的AR型 HMD依然价格不菲,动辄三四千元人民币,普通大众还是消费不起。而且全彩色显示的光学波导系统的衍射效率依然很低,还是有待提高。


参考文献

[1] 增强现实(AR)技术权威指南;作者: 藏田武志,清川清,大隈隆史

[2] Wikipedia. Head-up Display. 2009. Available from:

https://en.wikipedia.org/wiki/Headup_display

[3] J.-A. Piao, G. Li, M.-L. Piao,N. Kim, Full color holographic optical element fabrication for waveguide-type head mounted display using photopolymer. Journal of the Optical Society of Korea. 2013;17:242-248

[4] M.-L. Piao, N. Kim, Achieving high levels of color uniformity and optical efficiency for a wedge-shaped waveguide head-mounted display using a photopolymer. Applied Optics. 2014;53:2180-2186