用于AR透视 的超紧凑高效硅基液晶光引擎

Opto-ElectronicAdvances的一篇新出版物;DOI 10.29026/oea.2024.240039，讨论了用于 AR 透视 的超紧凑、高效硅基液晶光引擎。

增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 是创新的显示技术，能够彻底改变我们与世界互动和体验的方式。与让用户沉浸在完全虚拟环境中的 VR 不同，AR 将数字内容叠加到现实世界中，从而在教育、培训、零售、营销和导航等领域实现广泛应用。AR 体验可通过各种设备实现，包括智能手机、平板电脑和智能透视 。其中，时尚的 AR 透视 将成为主流，因为它们提供无与伦比的便利性和沉浸感，轻巧紧凑的外形，将数字内容无缝集成到现实世界中。

AR 透视 通常由两个主要组件组成：光引擎，负责生成数字图像;光学系统，将生成的内容传递给用户。不同的光学系统，如鸟浴光学和波导光学，已应用于商业产品中。光引擎必须非常紧凑，同时保持高光学效率，以实现长时间舒适佩戴和高环境对比度。“硅基液晶 (LCoS) 或微型 LED，谁赢了?”是最近一个热门的辩论问题。微型 LED 显示器是一种发射技术，有望以高峰值亮度、快速响应时间、真正的暗状态和长寿命彻底改变视觉体验。然而，它的可制造性仍然是一个重大挑战。另一方面，LCoS 是一种非发射反射式微显示器，需要前照明系统。传统的 LCoS 系统由于其笨重的照明系统而面临巨大挑战。为了实现高光学效率，它通常采用笨重的偏振分束器 (PBS) 立方体，如图 1(a) 所示。因此，如何实现基于LCoS的AR透视 的超紧凑且高效的照明系统是迫切需要的。

为了尽量减小 LCoS 系统的外形尺寸，本文作者与 Meta Platforms 合作，提出了一种带有导光板 (LGP) 的超紧凑照明系统，以有效地将所使用的光源引导至 LCoS 面板。

来自光源(例如 LED 阵列或激光二极管)的光通过图 1(b) 所示的耦合棱镜耦合到 LGP 中。接下来，由于顶部和底部表面的全内反射 (TIR)，耦合光在 LGP 内部传播。部分被捕获的光在沿 Z 方向传播时进入提取棱镜(如放大图所示)，剩余的光继续在 LGP 中向前传播。提取棱镜内的光通过棱镜倾斜表面的另一个 TIR 反射至底部 LCoS 面板。吴教授的研究小组也提出了类似的概念，用于为液晶显示器产生均匀的照明。LCoS 面板逐像素操纵偏振态，并将入射光反射回 LGP。大部分带有编码信息的反射光会穿过导光板和上方的清理偏振片，最终进入投影镜头系统(图中未显示)，再耦合到后续的AR系统光合路器(图中未显示)。这里需要提到的是，图1(b)中的四分之一波片(QWP)是可选的，取决于所采用的LC模式。例如，如果使用常黑的垂直排列(VA)LCoS，那么QWP后的圆偏振光有助于避免边缘场效应。另一方面，常白的MTN(混合模式扭曲向列)LCoS则可以接收线偏振光或圆偏振光。在Magic Leap 2中，选择圆偏振来减轻投影系统中表面反射产生的杂散光。MTN的另一个优势是响应时间快(~1ms)且边缘场效应弱。

作者还对系统结构进行了大量优化，以提高整体性能。例如，如图 2 所示，提取棱镜被分成几个具有不同填充因子的区域以确保照明均匀性。此外，还对系统配置和每个组件的尺寸进行了优化，以实现出色的照度均匀性和高 ANSI 对比度，该对比度等于或优于 LCoS 面板的对比度。此外，通过考虑玻璃材料的折射率色散，展示了出色的色彩性能。此外，也可以采用折射率较低的塑料材料 n = 1.7 来降低成本。它的光学性能是可以接受的，尽管更高折射率的材料是首选。如此纤薄的外形和高光学效率预计将对下一代轻量级和低功耗 AR 透视 产生重大影响。

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