HUD领域的革命性技术——全息光波导

* 来源: * 作者: 布谷鸟科技 * 发表时间: 2020-03-24 18:00:00 * 浏览: 419


AR-HUD是ADAS和无人驾驶领域的热门应用,特别是在无人驾驶领域具备特别好的应用前景,但是目前传统的镜面反射光路设计会导致AR-HUD体积巨大,超过20升,这阻碍了AR-HUD的应用,解决办法就是全息光波导设计。本文由布谷鸟科技-产研首席分析师周彦武老师编写。


传统HUD光路一般采用两级镜面反射技术,这带来两个缺点,一是体积比较大,特别是AR-HUD,为了更广的FOV,第二级非球面反射镜需要很大,导致整体HUD的体积很大,AR-HUD的体积一般都在20升以上,高度和深度都无法满足车内仪表板背后狭小的空间。



再一点就是成本,从光学的角度来看,挡风玻璃是自由曲面,而为了形成不失真的图像,就要求 HUD 中的凹透镜发出非常精确的图像。因此,在制造大镜片的过程中对容差的要求非常严格,大陆集团HUD非球面反射镜采用塑料注塑成形方法生产,整个表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下,需要使用十万级或万级无尘室车间。为了更广的FOV,需要更大的非球面反射镜,越大则容差越难控制,成本越高。复杂而精密光学元件的加入也让装配成本比较高。


全息光波导是源自AR眼镜领域的技术,用在HUD特别是AR-HUD领域是革命性的颠覆性的技术。


 

反射镜型AR-HUD有22升的巨大体积,而全息光波导只有2.4升,传统非AR型HUD的体积也有4-6升体积。因为取消了复杂精密的两级反射,成本也有所降低。


波导技术并不是什么新发明,我们熟悉的光通信系统中,用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆,就是波导的一种,只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。在AR-HUD中,要想光在传输的过程中无损失无泄漏,“全反射”是关键,即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件:(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率; (2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc。光机完成成像过程后,波导将光耦合进自己的玻璃基底中,通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像,一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等),可以理解为“平行光进,平行光出”,所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。


  光波导总体上可以分为几何光波导(Geometric Waveguide)和衍射光波导(Diffractive Waveguide)两种,几何光波导就是所谓的阵列光波导,其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大,代表光学公司是以色列的Lumus,目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。几何光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程,没有牵扯到任何微纳米级结构。因此图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。但是,工艺流程比较繁冗,其中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中会越来越少,那么阵列中这五六个镜面的每一个都需要不同的反射透射比(R/T),以保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的。并且由于几何波导传播的光通常是偏振的,导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层。另外,这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合,然后按照一个角度切割出波导的形状,这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。因此,即使每一步工艺都可以达到高良率,这几十步结合起来的总良率却是一个挑战。LUMUS在2000年就已经推出相关产品,但至今还未能量产。


衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导VHG(Volumetric Holographic Grating)或HOE(Holographic optical element), HoloLens 2,Magic Leap One均属于前者,全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅,苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅,另外致力于这个方向的还有Digilens(HOE)。这个技术还在发展中,色彩表现比较好,但目前对FOV的限制也比较大。但是车载AR-HUD不需要太大的FOV,能做到10度的FOV就已经能满足要求。当然Digilens已经可以轻松做到50度,并且在挑战100度。


表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)是目前AR眼镜的主流,想象一下将棱镜压缩到非常细小的尺度同时横向拉长。现在将这些纹路雕刻到镜片的表面。这些微型纹路也就是所谓的“表面浮雕波导”了。这里的关键就是“切割”出一系列垂直条纹,通过适当的排列将光线引导至眼前的镜片区域。这种“表面浮雕”光波导技术最早是诺基亚的专利,后来也由诺基亚商业化。微软的HoloLens中使用的光波导就使用了这种设计,不过微软对其作了修改,他们将外壳设计成直立状态,而微型显示器则设计在眼睛上方。诺基亚的专利很值得注意,因为它已经被证明是可以规模化生产的。不仅如此,除了HoloLens之外,诺基亚还将此设计授权给了Vuzix,后者在一家由英特尔投资资助的工厂生产相应的光波导,并以和联想合作的品牌销售到中国企业市场。


表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating) 设计门槛比传统光学要高一些,主要在于衍射光栅由于结构进入微纳米量级,需要用到物理光学的仿真工具,然后光进入波导后的光线追踪(ray tracing)部分又需要和传统的几何光学仿真工具结合起来。它的制造过程先是通过传统半导体的微纳米加工工艺(Micro/Nano-fabrication),在硅基底上通过电子束曝光(Electron Beam Lithography)和离子刻蚀(Ion Beam Etching)制成光栅的压印模具(Master Stamp),这个模具可以通过纳米压印技术(Nanoimprint Lithography)压印出成千上万个光栅。但是这种技术和芯片的制造技术高度类似,需要使用千级无尘室和极其昂贵的晶圆生产设备,如果要做到眼镜大小,其成本和同样大小的芯片价格差不多,因此价格极其昂贵,且不会有下降的空间,这种技术已经非常成熟了,且在芯片上已经有十亿量级的出货了。



使用VHG或者说HOE的人很少,包括十年前就为美国军工做AR头盔的Digilens,曾经出过单色AR眼镜的Sony,还有由于被苹果收购而变得很神秘的Akonia,还有一些专攻体光栅设计和制造的厂家。他们所用的材料一般都是自家的配方,基本是感光树脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或者两者混合。制作过程也是先将一层有机薄膜涂在玻璃基底上,然后通过两个激光光束产生干涉条纹对薄膜进行曝光,明暗干涉条纹会引起材料不同的曝光特性,导致薄膜内出现了折射率差(Δn, index contrast),即生成了衍射光栅必备的周期性。全息光波导这个名字带有一定的误导性。虽然这个名字里带有全息二字,但其实全息波导并不会直接在用户周围产生全息影像,它指的是透镜内部的光学元件本身就能产生纳米级全息图。



Digilens是其中最优秀的,领先其他公司至少10年以上,已经通过了美国联邦航空管理局的认证,在巴西航空工业的Legacy 450和500上商用,这也是第一个光波导HUD的商业化应用。在美军战斗机上也有应用,但碍于保密问题,Digilens未主动宣传。



在宝马的顶级摩托车上也有使用


前面提到的光波导都是被动的无源设计,只有Digilens的是主动有源设计,这就意味着它有很大的技术挖掘空间。DigiLens设计出“主动式”全息光波导。通过使用基于液晶的薄膜聚合物,DigiLens光波导内的全息镜状光学器件能够在用电流激活时改变状态。称之为Switchable Bragg Gratings技术。


   

这种类型的光栅结构与SRG是截然不同的,它拥有可以电切换的volume bragg grating。这与SBG最大的区别在于SBG衍射所有的图像并且只有一个路径。利用这种优势人们可以将布拉克光栅做得非常薄,从而使每个光波导层的FOV达到50°。与此同时,因为更高的光效率AR的显示效果也会更亮并且电池寿命更长。


全球第二大HUD厂家德国大陆汽车对Digilens情有独钟,参与了Digilens前三轮的投资,持股比例达18%。Digilens至今已经有5轮融资,总额达1.35亿美元。投资者包括索尼、松下、三星、三菱化学、美国罗克韦尔柯林斯公司(Rockwell Collins,做战斗机头盔)、富士康、Universal Display、Niantic、杜比。


全息光波导技术和成像技术无关,TFT和德州仪器的DMD都可以使用,以前的HUD设计成果也可以得到再利用,有助降低研发成本。缺点是目前可量产的全息光波导被Digilens垄断,衍射光波导做得不好很容易有彩虹效应,光效率比较低,此外,全息光波导最好使用高功率的激光二极管做光源。