探索AR/VR终极方案:Facebook提出液晶偏振全息元件LCPHs

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它们能够实现轻薄(~1μm)、高效的光学器件

映维网 2021年07月23日)从娱乐到商业物流,增强现实和虚拟现实为物理世界和数字世界的融合提供了全新的工具。然而,实现这一愿景需要紧凑、无缝的AR/VR光学系统和佩戴舒适的显示系统。对于这一目标,Facebook日前在一份名为《Toward Lighter, Thinner ARVR Systems – Liquid crystal polarization holograms promise to transform head-mounted displays》的报告中指出,一个富有前景的途径是利用液晶偏振全息元件(Liquid-Crystal Polarization Holograms;LCPHs)。

在所述报告中,团队简要介绍了这种结合液晶光子学和全息图优势的多功能低成本元件,包括LCPH是什么,它们提供的优势,以及应用和制造方面的最新研究。下面是映维网的具体整理:

1. 基于成熟的技术

1.1 全息技术

LCPHs作为设计平台的一个优势是,它们基于两种久经考验的技术:全息技术和液晶光子学。全息技术最早出现于1947年,并在1960年激光发明后加快了发展速度。偏振全息元件(Polarization Holograms;PHs)同时称为几何相位全息元件或环形衍射波片,其依赖于两个或多个相干光束产生的偏振干涉。

与HOEs类似,PHs在一个薄封装中提供多功能光学响应,以及选择性的角度和光谱带宽。这允许使PHs可以作为镜子、透镜、光栅、波导、透镜阵列、漫射器和消色差或彩色光学器件。PHs的偏振灵敏度为光学系统的设计增加了独特的自由度,这对于AR/VR和其他众多应用而言都是一个重要的优点。

1.2 液晶光子学

液晶光子学光学器件采用液晶材料。液晶材料本身可调谐,通过液晶材料的电光响应来旋转液晶分子的光轴。液晶显示器(LCD)是LC器件中最成功的示例,而行业在各个方向迸发出了一系列的创新进展。

2. 灵活性

LCPHs结合了全息元件和液晶光子学的优点,并代表着LC技术发展的一大进步。Facebook表示,相信LCPHs可以在AR/VR领域产生范式转变,因为它们能够实现轻薄(~1μm)、高效的光学器件。

通过偏振全息技术对液晶进行适当的对准,LCPHs可以表现出不同的光学响应。所述响应可以编程为取决于入射光束的偏振、波长和入射角。对于传统的HOEs,折射率调制决定了器件的光谱带宽和角带宽。在LCPHs中,LC材料的普通有效折射率和特殊有效折射率之间的差异决定了光谱带宽和角带宽。LCPHs的另一个特性是,各向异性LC材料的排列可以诱导很强的偏振选择性和转换。

LCPHs的多功能光学响应示例

一系列的设计方案使得LCPHs在众多应用中具有吸引力。它们可用于具有固定光学特性的无源薄膜,或用于提供可调谐光学响应的有源器件。它们与平面和曲面的兼容性允许在现有光学/显示系统的平面和曲面之上直接涂覆或层压LCPHs。这种尺寸的灵活性允许研究人员制造出像微阵列一样小或像望远镜镜头一样大的液晶显示器,而且对功能区域没有任何限制。液晶连续而流畅的相位分布确保了高的光学效率(95%或更高)。

3. 改变AR/VR及其他技术

用于AR/VR头显等光学和显示系统的形状参数和重量限制需要非常轻薄化的光学元件来控制光的传播方向、强度和偏振。在过去的数年中,Facebook Reality Labs(FRL)的研究人员广泛地探索了用于AR/VR光学和显示系统的LCPHs。团队的研究课题包括如何解决视觉辐辏调节冲突;在空间受限的光学系统中实现薄而高效的眼动追踪光学模块和深度传感组件;将LCPHs用作图像形成目的的光合路器;为提高紧凑型光学系统中折射光学元件的图像分辨率而校正色差;优化系统能效并降低系统光学元件尺寸等等。

实现全天候可穿戴AR/VR头显的两个目标是光学元件小型化和视觉舒适性。通过将LCPHs与其他新兴的光学技术相结合,FRL研究人员已经在这两个方面取得了进展。一个示例是近眼显示器的创建。另一个示例则是注视点近眼显示器的实验室原型演示。

4. 量产之路

显然, LCPHs是一条充满前景的路径。但如何制造它们呢?目前,LCPHs广泛应用的最大障碍是开发一种高产量制造工艺,以合理的成本批量生产LCPHs。

幸运的是,现有的LC工具和材料为开发可行的制造设置提供了一个选择。事实上,LCPHs制造工艺通常比光刻驱动的LCD制造工艺或用于超表面器件的纳米制造工艺简单。一条生产线可以生产多个具有不同光学响应的LCPHs产品。

通常,LCPHs薄膜的制备需要六个步骤:玻璃清洗;光对准材料(PAM)涂层;PAM patterning;反应性介晶涂层;RM固化;以及装配。生产有源LCPHs器件需要额外的处理,如电极布置和液晶材料填充。无源LCPHs器件则可以选择三种潜在的生产线:roll to roll (R2R);sheet to sheet (S2S)和lens to lens (L2L)。LCPHs的具体应用将决定其生产方法。例如,L2L可以直接在曲面的透镜表面涂覆LCPHs膜。这将有助于纠正传统屈光镜片中的色差。对于平面,R2R和S2S都是优秀的候选路线。

决定LCPHs制造扩展性的两个重要因素是RM材料和PAM patterning工艺的发展。

4.1 RM材料

由于成熟的LCD行业,RM材料随时可用。然而,为了满足AR/VR光学和显示系统的光学质量要求,LCPHs-RM材料应具有三个特性:在可见光范围内具有低吸收的无色性;在紫外光固化过程后,具有最小表面粗糙度的低收缩率;在环境应力和光照条件下的可靠性。

为了进一步扩大LCPHs在AR/VR等领域的应用范围,需要对现有RMs的双折射进行修正。在可见光范围内,典型的RM双折射率约为0.15。根据应用情况,这可能需要扩展到较低的双折射(≤ 0.1)或更高的双折射率(≥ 0.35),RMs的平均指数可能需要从1.6推到2.0或更高。

LCPHs流程图,图例是S2S路线

4. 2 PAM patterning

PAM patterning过程依赖于两个具有正交圆偏振的等强度光束的偏振干涉。产生的干涉图样具有恒定的强度,但具有空间变化的线偏振。这一过程可以简化使用液晶光聚合物与光对准和交联官能团。PAM patterning的灵活性是在同一生产线创建多个LCPHs产品的关键。

创建空间变化的线性极化pattern的另一种方法是使用直接刻写工具,以特定偏振方向刻写微小区域,并逐点或逐行改变刻写光束在每个位置的偏振方向。所述工具然后映射整个区域的对齐pattern。直接刻写方法在创建任意偏振pattern时提供了灵活性,但这是一个耗时的过程。

偏振干涉法可以在一次产生整个功能区的对准pattern,但缺乏产生任意pattern的灵活性。在偏振干涉配置中加入空间光调制器可以灵活地创建任意pattern,并在pattern分辨率和曝光尺寸之间进行潜在的权衡。

对于LCPHs量产,一个经济有效的方法是采用LCD背板制造中使用的方法:创建具有定制pattern的掩模,并将掩模中的patterning信息复制到sample中,然后遵循用于生产大基板的步进扫描概念。不同于传统光刻工具,LCPHs的复制工具原则上不需要复杂的投影透镜,因为掩模pattern的衍射和干涉可以产生复制。对于大多数应用,直接接近复制方法既提供了曝光工具设计的简单性,又以经济高效的方式提供了sample质量。

5. AR/VR之外

Facebook表示,相信LCPHs可以提供一个高度通用的光学解决方案,而其灵活性将很可能转化应用至其他需要紧凑、高质量、可批量生产的光学设备的领域。通过将LCPHs集成到光学系统中,设计者可以创建用于眼睛/面部追踪、图像形成、光束重定向、光学传感和传统折射光学的色差校正的小型组件。LCPHs制造的简单性和灵活性将有助于加快原型到生产的周期,并降低low volume到high volume光学应用的成本结构。

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