一种Birdbath+光波导 AR眼镜的结构分析

图1：一个近眼显示（NED）的HMD设备的示意图

由图1所示，这个HMD设备的硬件形态是一个双目的AR眼镜，眼镜框提供结构支持，有左右两个投影模块和显示光学元件。

类似的结构支持也可以是护目镜、头盔、额垫等，也可以是单目NED的设计。

选择何种硬件形态是一个复杂的产品设计，需要考虑用户体验、应用场景，以及光学方案、硬件、OS及软件、结构、热管理等众多因素。

在图1中，眼镜框的结构主要包括了鼻梁、前顶盖、投影模块的壳体和镜腿等。

鼻梁位置处有麦克风，可以用于声音的记录及传输。在镜框的左右，各有一个摄像头用于拍照/录像、SLAM等。

其计算单元可以集成在AR眼镜框内部、也可以通过有线或者无线（如WiFi、Bluetooth、Infrared等）连接的外部设备（如手机、平板、电脑等）。

图2：近眼显示（NED）结构示意图（俯视）

在图2中，光波导前后的透镜可以用作光波导的保护层，也可以用作补偿/矫正人眼视力。

如图2所示，光波导直接将投影模块的图像投射到人眼；同时，也允许真实世界的光线进入人眼。

投影模块中有一个带曲面镜的Birdbath光学元件，其中的曲面镜有反射与准直的作用。在曲面的不同点的准直光束以不同的角度反射。因此，这些光束会交叉并在它们自己的最小横截面上形成出瞳。

其中，光波导可以是表面浮雕光栅（SRG）的衍射光波导。用一个输入光栅将投影图像耦合到光波导；用若干个输出光栅将图像投射到人眼。

图3：带Birdbath的投影模块的结构示意图

图3中，高折射率元件区中各个光学元件的折射率至少大于1.65，其目的是更有效地折叠光路。

如图3所示的光路，由图像源产生的光束，经偏振分束器（PBS）将光束投向带有曲面镜的Birdbath，光束再由曲面镜反射和准直后，再次通过偏振分束器传播到一个或多个偏振片上，最终到达光波导的输入光栅。

图4：带照明系统和Birdbath的投影模块的结构示意图

如图4所示，这个结构中，图像源使用的是硅基液晶（LCoS）微显示屏，LCoS面可以反射照明单元的光束，由于存在偏振误差，需要在LCoS前设置了一个偏振补偿片。

双胶合透镜可以对图像源光束的像差优化和准直。

偏振照明分束器用作照明光束和图像源光束的分束。

如果使用自发光的微显示屏（如OLED等）可以不需要照明单元及偏振照明分束器，但还是需要偏振补偿片。

如图4所示的光路，照明单元产生的照明光束经由偏振照明分束器反射后照亮LCoS面，LCoS面的反射光束经由偏振补偿片和双胶合透镜后，再通过偏振照明分束器；在高折射率元件区，图像光束经偏振分束器（PBS）将光束第一次经过1/4波片，投射到带有曲面镜的Birdbath，光束再由曲面镜反射和准直后，再次通过1/4波片，此时，经过Birdbath反射与准直，以及前后两次1/4波片的光束可以通过偏振分束器，再经过一个或多个偏振片，最终到达光波导的输入光栅。

由图4可以看出，这个结构中的光波导为多层结构，上下各两层波导，中间为一个波片。

图5：Birdbath+光波导的光路图（俯视）

如图5所示，经Birdbath的曲面镜反射的准直光束，它们的交叉面位于出瞳处，在这个结构中，出瞳的直径为3mm。

图6：投影模块的结构图

参考资料：

（1）  US8873149B2，COUPLINGIMAGE LIGHT TO A NEAR-EYE DISPLAY；

（2）  US010642045B2，SCANNER-ILLUMINATEDLCOS PROJECTOR FOR HEAD MOUNTED DISPLAY；

（3）  CN213423604U，近眼显示光学系统及穿戴式显示设备；

（4）  CN211786381U，一种具有折叠光路的光学显示系统及AR设备。