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AR眼鏡光學模組設計秘辛
成像原理不同,效果大不相同

【作者: EPSON】   2024年02月02日 星期五

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智慧眼鏡的光學模組現已開發出了許多不同的設計方式。一般基於使用的面板類型、光學引擎(光機)配置位置以及光學模組的成像方式來區分。面板部分有μOLED、LCoS、μLED、LBS等種類,每種的亮度、畫質、尺寸和成本等特徵都有所不同。為了不遮蔽到視野,會將光機配置於眼睛上方或頭部側邊。配置的位置不同,適用的光學模組設計會有所不同,外型特徵也有很大的差異。前者稱為縱配置光學模組,後者則稱為橫配置光學模組。


縱配置光學模組的特徵在於將光機配置於眼睛上方,可縮短眼睛與成像間的距離,使光學模組較為輕巧。但光機和顯示相關電路零件皆集中在前方,使重心靠近前方,因此配戴性就必須加強。此外,光機位於眼睛上方,也會使得上方視野變窄。且顯示零件往中央集中,容易產生發熱集中導致散熱不易問題。


橫配置光學系統為將光機配置於頭部側面,視野較寬,且零件的配置分散、重心較偏



圖1 : 智慧眼鏡的代表性光學模組設計
圖1 : 智慧眼鏡的代表性光學模組設計

後方,配戴性較佳。因為發熱源配置分散,有利於散熱設計。不過因成像距離眼睛較遠,設計者在投影成像部分需要更多巧思來控制光學模組尺寸。


圖1彙整了智慧眼鏡中較具代表性的光學模組設計。以下介紹各種光學成像方式的特點:


●Birdbath


 將光機配置於眼睛上方的縱配置光學系統,透過透鏡和凹面半反射鏡將光線投向眼睛。由於成像位置離視線近、可縮短光徑,因此較易縮小光學模組體積,藉由使用OLED面板,即可構建出畫質良好且易於控制成本的模組。另一方面,如圖1的配置圖所示,來自上方的光先透過傾斜45°的半反射鏡反射至外側,再以凹面半反射鏡反射、穿過傾斜的半反射鏡到達眼睛。此設計中顯示面板的光須反射穿過半反射鏡3次,外部光線也須穿過半反射鏡2次,因此影像光線的光效率與外部光線到達眼睛的穿透率兩者之間的權衡便成為此光學模組設計的課題。因此目前大部分產品的影像亮度和穿透率較低,雖然適合用於影像視聽,但卻有著外界實景可見度問題。且由於使用凹面半反射鏡直接穿透,當旁人看向使用者時也能看見影像,較缺乏隱私性。


●Free-Form Surface Waveguide


 Epson成功讓使用自由曲面導光板的既有光學模組Free-Form Surface Waveguide更加進化。該方式光學模組設計的特點如下


●光學布局可達成近似眼鏡的設計和舒適的配戴性


●畫質和亮度不受環境左右,可清楚看見影像


●寬廣視野和高穿透率,以確保高可見度


此設計是透過由多片透鏡與多片自由曲面鏡構成的導光板,將配置在頭側的顯示器影像光傳遞至眼睛(見圖2光線圖)。其中光的損耗主要僅由組合器的半反射鏡穿透率/反射率造成,不但光效率高於其他設計,與穿透率兩者間平衡掌控也較佳,使用OLED可實現高品質畫面。此外,由於導光板上下幾乎沒有遮擋視野的零件,能確保視野寬闊。反之,導光板的厚度受組合器傾斜角和材料的全反射角度限制,難以降低。再加上由於組裝部(Combiner)的半反射鏡須為偏心凹面鏡,因此需要去除在多個自由曲面由偏心反射鏡產生的偏心像差,造成設計不易和實際製造時的形狀檢查困難。為了在滿足指定規格的狀態下實現穩定量產,零件品質上的形狀管理和特性管理也益顯重要。



圖2 : Epson BT-40光學模組的光線圖
圖2 : Epson BT-40光學模組的光線圖

●Muti mirror waveguide


 面板各像素發出的光經由透鏡整理為平行(成為虛像)後射入導光板,藉由導光板的多個平行半反射鏡將光分為多道再射出。導光板的作用除將顯示面板的光線導向眼睛外,還具備Eye Box擴大功能,可透過分光而得到較大的Eye Box。此效果可縮小投影透鏡的尺寸,只須在頭側配置小型投影透鏡,使設計上更加接近一般眼鏡。此外,還可將導光板的半反射鏡反射率降低、實現高穿透率,確保較高的外界可見度。另一方面,導光板需要高平坦度,也需要高折射率以封住光線,因此須使用玻璃作為材料,這就導致了防範碎裂的需求出現。再者,因高折射率玻璃的比重較大,所以會希望減少厚度,但由於半反射鏡的角度和片數等的限制,導致薄型化也有其極限。加上多數半反射鏡皆要求高平行度,加工成本也成了問題。且由於使用多個半反射鏡使光分歧,造成光效率非常低,必須使用高亮度面板,進而產生高耗電問題。


●DOE/VHG Waveguide *VHG: Volumetric holographic grating


 其構成與前一設計幾乎相同,僅將光線射入部與射出部的反射鏡以DOE(繞射式光學元件)或VHG(體積全像光柵)代替。本方式和多反射鏡導光型同樣可達成近似眼鏡的設計,但本方式不像多反射鏡般受到半反射鏡角度與片數的限制,導光板可進一步縮小厚度。透過降低具有Eye Box擴大功能的DOE部位的繞射效率,可建構抑制差異並提高穿透率的構成,並確保對外界的可視度。再加上DOE或VHG的製造成本就原理來說並不高,因此可降低導光板的成本。但目前考量平坦度與成本,導光板必須用玻璃製造,因而就得採取防止碎裂等的措施。另外,DOE對波長的要求較高,常因不同顏色間容易產生色差不同,導致整體產生嚴重色差。且因光效率低於多反射鏡導光板,需要亮度更高的面板,加劇了成本與耗電問題。


結語


現今不管是個人娛樂、乃至於教育、醫療等產業,AR智慧眼鏡都有很大的發展前景,而眼鏡所需要的功能以及性能也因產業的不同有很大的區別。


Epson以自行開發的高亮度、高影像品質OLED面板與先進的光學技術,並根據客戶回饋持續精進,期許為AR智慧眼鏡的製造商、開發商提供值得信賴的光學顯示解決方案。


更多資訊請參考:https://ett-tw.biz/ocZSw


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