使用超黑涂层减少 VR 和 AR 中的杂散光
1. 简介
虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 光学系统的性能在很大程度上受到其复杂光学架构中的光控制的影响。设计高性能 VR/AR 系统的主要挑战之一是管理杂散光，杂散光会导致重影、眩光和对比度降低，最终降低图像质量和用户体验。
为了应对这些挑战，光学工程师采用了超黑涂层，以最大限度地减少系统关键区域的不必要反射。超黑涂层在可见光 (VIS) 和近红外 (NIR) 光谱范围内几乎完全吸收光，使其能够非常有效地减少 VR/AR 硬件中的杂散光效应。
本文探讨了VR/AR 光学系统中杂散光的来源、反射对性能的影响，以及使用超黑涂层缓解这些问题的工程方法。
2. VR/AR 光学系统中的杂散光挑战
VR/AR系统通常由以下光学元件组成：
- 波导（在 AR 智能眼镜中）或近眼显示器（在 VR 耳机中）。
- 用于增强叠加的光束分裂组合器。
- 用于图像中继的透镜和衍射光学元件。
- 用于运动跟踪的红外（IR）传感器。
- 用于环境测绘的深度传感器和激光雷达模块。
这些元素中的每一个都可能引入内部反射，产生不必要的光路，从而导致：
- 重影伪影：光学表面之间反射的光线会产生虚假的图像复制品。
- 杂光：漫反射会降低对比度和暗度性能。
- 传感器中的光学噪声：杂散红外反射会干扰位置跟踪和激光雷达测量。
- 降低 AR 对比度：不必要的反射会降低户外环境中数字覆盖的可读性。
VR 和 AR 光学系统中的杂散光源
VR/AR 设备中的杂散光来自多个来源，包括：
- 镜头和显示器反射
- 光学界面处的菲涅尔反射会引入不必要的二次图像。
- 示例：在基于波导的 AR 显示器中，全内反射 (TIR) 可以使光在到达用户的眼睛之前反射多次。
- 红外传感器中的光泄漏
- VR 运动追踪系统依赖于红外 (IR) 发射器和摄像头。未涂层的内表面会反射红外信号，从而破坏传感器数据。
- 示例：在由内而外的追踪系统中，来自耳机内部的不必要的反射会降低追踪准确性。
- 光学元件产生的无用散射
- 光学外壳、结构支撑和传感器外壳可能会引起散射。
- 示例：基于激光雷达的 AR 测绘系统需要低反射率以避免错误的点云数据。
3. 减轻 VR/AR 中杂散光的工程方法
为了最大限度地减少杂散光，工程师实施了以下光学表面处理：
- 抗反射涂层 (ARC)：有助于减少第一表面反射，但对于抑制二次内部反射无效。
- 纹理表面：通过微结构（如光学螺纹、腔体等）增加光吸收，但通常在机械上不稳定且不足
- 黑色薄膜涂层：具有高耐用性的宽带吸收率，使其成为紧凑型 VR/AR 系统的理想选择。
某公司的超黑涂层具有以下特点：
- VIS 和 NIR 范围（500 nm – 1500 nm）的反射率约为 1%。
- 无颗粒表面——对于洁净室组装的光学器件至关重要。
- 耐用性高且厚度极薄（~5-10 µm） ——非常适合紧凑型设备。
- 温度和真空稳定性——适用于高性能光学模块。
涂层类型 | 反射率（可见光） | 反射率（近红外） | 最佳用例 |
魔力黑 | < 0.98% | ~1.2％ | VR 光学系统中的可见范围抑制 |
真空黑 | < 1% | < 1.3% | 红外传感器和跟踪系统的近红外抑制 |
4. 案例研究：使用超黑涂层减少杂散光
减少 AR 波导中的重影
在 AR 智能眼镜中，光线通过衍射或反射波导，然后耦合到眼睛。二次反射会导致重影，从而降低图像清晰度。
解决方案：
将Magic Black应用于波导支撑结构和安装元件，可减少漏光并大幅提高对比度
提高 VR 追踪系统中红外传感器的精度
VR 头戴设备使用红外摄像头和发射器来追踪用户运动。杂散的红外反射会污染追踪数据，导致定位不稳定。
解决方案：在内部光学外壳上
使用真空黑色材料可抑制杂散反射，根据实验测量可将跟踪误差减少 20-40％ 。
示例 1
示例 2
增强 AR 平视显示器 (HUD) 的对比度
户外 AR 设备（例如平视显示器 (HUD)）在高环境光条件下会出现对比度低的问题。
解决方案：
将超黑图层应用于光学外壳可使数字覆盖的可读性提高 25-50%，这已在原型测试中得到验证。
5. VR/AR光学系统设计建议
减少杂散光的最佳实践
- 在所有非光学内表面使用超黑涂层来吸收不必要的反射。
- 在基于红外线的跟踪系统中应用真空黑以提高信号完整性。
- 优化机械设计，尽量减少造成杂散反射的直接光路。
- 采用涂有超黑薄膜的黑色挡板和光圈光阑。
- 在最终确定硬件配置之前，在 Zemax/TracePro/Fred/Lightlools 或其他软件中运行杂散光模拟。
结论
随着VR和AR技术的不断发展，对光学性能的要求也越来越高。杂散光管理是提高视觉清晰度、传感器精度和整体系统性能的关键因素。
通过集成超黑涂层，工程师可以在下一代 VR/AR 设备中实现更高的对比度、更好的跟踪稳定性和更好的沉浸式真实感。
超黑涂层的使用可使多种产品和应用得到极大改进：
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