基于塑料光学的增强和混合现实光学透视组合器
对于AR/MR技术的普及，还有许多障碍需要克服，包括视觉性能、可穿戴性和设计。1为实现这些目标，开发轻薄的光学组合器是实现眼镜设计和自然外观等功能并提供可穿戴舒适性的关键。然而，存在一些折衷，因为实现更大的视场(FoV)和允许横向和轴向移动的眼盒需要更厚更大的光学器件。此外，为了使光学组合器价格合理，具有成本效益的架构和使用与大规模生产兼容的材料进行制造是必不可少的。
存在两种用于光学透视组合器的候选材料：玻璃和光学塑料，例如丙烯酸(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或环烯烃共聚物(COC)。两种材料都有自己的好处。
与塑料镜片相比，玻璃材料通常具有更好的光学特性，例如更高的折射率（1.5-1.9）、更高的阿贝数（减少色差）以及更好的透明度和低雾度。（阿贝值测量透镜材料中的光色散。）
塑料光学元件在批量制造兼容性方面具有优势，例如铸造或注塑成型。防碎是塑料镜片的另一个好处。它们比玻璃镜片更坚固，而它们的表面对划痕的抵抗力较低，因此需要防划痕涂层。塑料材料的折射率范围较窄，约为1.49–1.58，但与玻璃相比密度较小。常用的光学塑料的密度为1.0-1.3g/cm3，而光学玻璃的密度范围大于2.5g/cm3。这意味着当光学体积相同时，塑料镜片的重量几乎是玻璃镜片的一半，这是佩戴舒适的一个特别重要的特性。
出于这个原因，许多公司都在尝试开发带有塑料光学元件的光学组合器。塑料结合器更面向大众市场，在消费市场的早期阶段具有降低产品价格的可能性。在这里，我们根据光学架构探索当前的塑料光合路器技术，并介绍LetinAR的PinMR和PinTILT光合路器技术，这些技术可以实现具有塑料光学的紧凑和高性能波导结构。
尽管光学组合器使用相同的塑料材料，但透视组合器有许多不同的光学架构。一些光学结构很容易通过商业光学塑料树脂获得，而其他组合器方法具有挑战性，制造技术需要进一步开发，光学设计需要改进。
自由空间、棱镜和水盆组合器结构是最常见的塑料光学组合器类型，因为它们结构简单，图像质量极佳。这些架构中的大多数都使用半反射镜光学元件来实现其简单的制造过程。当显示光源的波长带宽较窄时，可以使用全息光学元件(HOE)作为组合元件（而不是半反射镜），以获得更好的透明度和处方镜片内部的其他特殊功能，例如薄、平面透镜效果。
波导型组合器具有较高的制造成本、系统复杂性和严格的光学容差，但它们提供更薄的光学器件并可以具有类似眼镜的外形，这是消费市场中社会舒适度的最重要特征之一.借助出瞳扩展(EPE)技术，波导组合器提供更宽的眼盒和更大的FoV，克服了传统光学器件的光学扩展量，但代价是系统效率低。
薄玻璃的波导组合器厚度不到1毫米，通常具有30到40倍的全内反射(TIR)，这极大地放大了波导平行度的失准。然而，这会导致重影、图像分离或图像清晰度下降，这就是塑料光学元件的光学要求具有挑战性的原因。因此，塑料波导需要一些缓解措施，例如增加波导厚度以减少TIR的数量或突破技术突破以克服当前材料和制造方面的限制。
一些公司已经应用了各种想法和光学技术来克服塑料光学对AR/MR的限制。他们的结果对于AR/MR设备作为日常小工具的商业化非常有希望。后面的部分将介绍具有代表性的塑料兼容光学架构。
自由空间、凹面、半反射镜组合器或“虫眼”组合器是最简单的光学组合器类型。凹面镜将显示图像放大并聚焦到虚拟平面中。Mira、2DreamGlass、3等多家公司都采用了这种结构。此外，日本环球影城也在使用类似的设备来提供游乐园AR体验。4这些架构相对笨重，但它们兼容更大的显示器，例如智能手机屏幕，可实现宽FoV（超过70度）。因此，虫眼组合器可以成为最具成本效益的沉浸式体验AR设备。图。1a显示了自由空间、凹面、半反射镜组合器的光学图。
此外，HOE组合器通常与激光光源一起使用。由于HOE对显示源的入射角和波长很敏感，因此HOE组合器可以同时最大化透明度和虚像亮度。
瑞士的InterglassTechnology5展示了一种在处方眼镜中嵌入组合器光学器件的透镜铸造方法，North6（被Google收购）使用具有处方功能的嵌入式HOE组合器制造了商业产品。
自由空间或棱镜水盆组合器也使用凹面镜作为准直器。在这种架构中，平面半反射镜与凹面镜相结合，使图像和观察者的眼睛都在光轴上。通过这种光学结构，组合器可以提供清晰明了的虚拟图像。此外，与显示源的亮度相比，输出到瞳孔的亮度即光效率可以通过偏振光学系统得到改善。谷歌眼镜7和NrealLight8是采用水浴架构的最具代表性的设备。由于其高光学性能和效率，水盆光学器件与许多显示技术兼容，包括液晶、硅上液晶(LCoS)、OLED或microLED显示器。图。图1c图示了棱镜水盆组合器的示例。
存在一些水盆结构的变体。例如，NrealLight采用凹面半反射镜而不是全反射镜来减少光学器件所需的物理体积（图1d）。
单瞳孔波导组合器可以通过在薄波导内折叠光路来大大减小光学器件的体积（图2a）。来自显示源的图像被准直并输入耦合到波导，以便它可以通过TIR传播并通过组合器光学元件输出耦合。有一些变化，具体取决于具体的架构，但一般来说，单瞳孔波导的厚度在2到10毫米范围内，并具有高达10倍的TIR反射。由于该结构只有一个入瞳和出瞳，因此可以计算曲面处的光路（图2b））。可以通过准直器和/或外耦合光学器件来补偿曲面处反射引起的图像变形。通常，自由曲面光学器件用于补偿弯曲波导的成像质量。此外，可以调整虚像距离以减轻聚散调节冲突（VAC），从而提高视觉舒适度。
日本爱普生是单瞳波导结构的先驱之一，2012年在消费市场推出了他们的AR玻璃产品。2021年，爱普生宣布了一款具有34度对角FoV的新智能眼镜产品，具有更高分辨率（1,920×1,080像素）Si-OLED显示屏与其前身（23度，1280×720像素）相比。9
卡尔蔡司和德国电信的合资企业Tooz推出了带有曲面透镜基板的单瞳孔波导的智能眼镜。凭借其自由曲面光学设计和弯曲波导结构，其波导提供了具有处方兼容性的类似眼镜的外形。在SPIEAVR21IndustryTalksII的演讲中，他们展示了塑料光学在批量制造过程中的优势。10
具有EPE的波导组合器可以使波导更薄，并通过组合器光学器件的复制出射光瞳提供更宽的眼盒和FoV。EPE或出瞳复制是一种通过使用图像传播路径的部分反射和透射来复制光路来扩展眼框的方法。瞳孔扩展光学器件可以通过各种光学元件实现，例如半反射镜阵列、棱镜阵列、分段反射镜阵列、光栅或全息图（图3）。它们提供类似于玻璃波导的虚拟图像观看体验。通常，具有塑料光学元件的EPE技术在一维(1D)中实现，因为二维(2D)扩展太复杂而无法制造。此外，虚像被准直到无穷远，以消除复制出瞳的不同输出耦合位置处的光路长度差异引起的图像分离。为了减轻交互式虚拟场景中的VAC，需要将焦点调整到近距离，并在波导上附加额外的光学器件。
法国初创公司Optinvent使用棱镜阵列组合器作为波导输出耦合器，通过注塑技术提供单片设计和制造。11该公司展示了采用侧面安装或顶部安装设计的单目1D瞳孔扩展光学器件。棱镜阵列镀有半反射镜，并附有补偿光学元件以提供自然的透视体验。
使用光栅耦合器或全息耦合器的塑料波导组合器需要与玻璃基板波导类似的光学容差，例如表面粗糙度或总厚度变化(TTV)，这是非常具有挑战性的。然而，DigiLens在2019年推出了一种采用其HOE技术的塑料波导组合器，并宣布他们已与三菱化学合作寻找能够满足波导组合器光学要求的硬塑料材料。13由于HOE组合器可以提供2D瞳孔扩展，因此可以减小光学引擎的体积。此外，它可以减少AR/MR耳机的外形尺寸和重量，带来额外的佩戴舒适度和设计自由度。
波导组合器，本节提到的EPE，可以用玻璃制成，以获得更好的光学性能。然而，除了HOE之外，它的制造过程对制作外耦合结构的要求更高。用玻璃制作棱镜反射器阵列时，每个棱镜都应一个一个地分开。它们需要被切割和抛光以形成光学表面，然后需要将这些部件粘合以制造出耦合元件。
LetinAR是一家韩国初创公司，开发光学透视AR模块。14LetinAR的PinMR（pinmirror）组合器是一种由全反射镜阵列组成的光学组合器方法。阵列中的每个针镜的尺寸都小于人类瞳孔，因此真实世界的场景是通过针镜未阻挡的瞳孔部分成像的。图。图4说明了单个PinMR元件的透视原理。针镜反射虚像，但镜子只挡住眼睛晶状体的中心部分，使真实物体可以用晶状体的外部成像。
LetinAR还开发了一种独特的波导架构，称为PinTILT（针镜TIR最小化光导技术），其TIR反弹被最小化，从而为通过注塑成型高效制造光学塑料波导提供更大的容差。图。5比较了PinTILT和水盆架构。两者都有相似的光路，从顶部安装的显示器开始，然后由凹面镜准直器反射到组合镜。组合镜将图像耦合到观察者。但是，PinTILT设计可以通过使用TIR来降低透镜基板的厚度。在PinTILT波导中，通过分割入瞳来应用一维垂直光瞳扩展，以确保入瞳的每个部分对应于每一行pin镜。这种对应关系可以通过根据设计的虚像距离倾斜每排针式反射镜(PinTILT)来调整除无穷远之外的虚像距离，以减轻VAC。由于瞳孔扩大的方法，它可以提供丰富而身临其境的视觉体验，具有宽广的眼框和大的FoV。另外值得一提的是，PinTILT是一种通用光学架构，适用于除PinMR合路器之外的各种光合路器方法，例如半反射镜、条形反射镜或全息合路器。
PinTILT波导的另一个好处是TIR仅发生在波导的前表面（世界侧），如图1所示。图5和图.如图6a所示，使得后表面（眼睛侧）可以具有特定的形状，以实现虚拟场景和真实场景的视力矫正。从技术上讲，前表面也可以通过前表面和准直器的联合优化，像单出口光瞳波导一样具有曲率。
在PinTILT架构中，首选顶部安装方向以最大限度地减少TIR的数量，因为与侧面安装相比，顶部安装结构可以使显示引擎更靠近眼睛。图。图6a显示了具有PinTILT的波导的光路。它的前表面只有两个TIR反射，准直器像水盆结构一样嵌入在波导基板的底部。
图。图6b显示了T-Glasses，它是LetinAR的PinMR组合器和PinTILT架构的评估套件。T-Glasses使用两个microOLED显示器，直接连接在每只眼睛的波导顶部，提供22度的对角FoV和640×400分辨率。它们展示了双目AR光学器件的最小尺寸。
表1总结了塑料组合器技术的光学特性。这些值是架构的典型范围，特定产品可能具有超出范围的差异值，与它们自己的光学引擎、显示器类型、权衡之间的设计优先级和专门的光学技术有关。
塑料光学组合器是AR/MR设备的重要组成部分，用于降低视觉性能、可穿戴舒适性和设计自由度的障碍。通过克服这些障碍，智能AR/MR眼镜将成为我们融入日常生活的下一件大事，就像我们今天使用智能手机一样无缝。创新的光学设计技术以及制造和材料工程的突破将是AR/MR光学成功的关键。