应用于增强现实眼镜的超紧凑高效硅基液晶光引擎

增强现实和虚拟现实是创新的显示技术，能够彻底改变我们互动和体验世界的方式。

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访问，包括智能手机、平板电脑和智能眼镜。

其中，时尚AR眼镜将成为主流，因为它提供无与伦比的便利性和沉浸感、轻巧紧凑的外形，将数字内容无缝融入现实世界。

AR眼镜通常由两个主要部件组成：光引擎（负责生成数字图像）和光学系统（将生成的内容传递给用户）。不同的光学系统（例如Birdbath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，以实现长期舒适的佩戴和高环境对比度。

“硅基液晶（LCoS）还是微型LED，谁会赢？”已成为一个热门的辩论问题。微型LED显示器是一种发光技术，有望以高峰值亮度、快速响应时间、真正的暗态和长寿命彻底改变视觉体验。然而，其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系统由于其庞大的照明系统而面临巨大挑战。为了实现高光学效率，它通常采用庞大的偏振分束器（PBS） 立方体。因此，迫切需要为基于LCoS的AR眼镜实现超紧凑且高效的照明系统。

为了尽量减小LCoS系统的体积，研究人员提出了一种带有导光板（LGP）的超紧凑照明系统，以有效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）的光通过耦合棱镜耦合到LGP中。接下来，耦合光由于顶部和底部表面的全内反射（TIR）在LGP内部传播；部分被捕获的光进入提取棱镜，同时沿Z方向传播，其余光继续在LGP中向前传播。

提取棱镜内的光线通过棱镜倾斜表面的另一个TIR反射至底部LCoS面板。LCoS面板逐像素地操控偏振状态，并将入射光反射回LGP，大部分带有编码信息的反射光会透过LGP和顶部的清洁偏振片，最终进入投影镜头系统，进而耦合进入AR系统后续的光学组合器。

研究人员表示，四分之一波片（QWP）是可选的，具体取决于所采用的LC模式。例如，如果使用通常为黑色的垂直排列（VA）LCoS，那么QWP后的圆偏振光有助于规避边缘场效应。

另一方面，通常为白色的MTN（混合模式扭曲向列）LCoS可以接收线性或圆偏振光；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的另一个优点是其响应时间快（~1ms）且边缘场效应弱。

研究人员还对系统结构进行了大量优化，以提高整体性能。例如，将提取棱镜分成几个具有不同填充因子的区域，以确保照明均匀性；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，考虑到玻璃材质的折射率色散，展现出优异的色彩表现，另外也可以采用折射率n=1.7的较低塑料材质，以降低成本。

其光学性能尚可，但最好采用折射率更高的材料。如此纤薄的外形和高光学效率预计将对下一代轻量级低功耗AR眼镜产生重大影响。

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