光波導(dǎo)，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認(rèn)為是消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的必選光學(xué)方案，又因其價(jià)格高和技術(shù)門檻高讓人望而卻步。

隨著主流AR設(shè)備微軟HoloLens 2、Magic Leap One等對(duì)光波導(dǎo)技術(shù)的采用和設(shè)備量產(chǎn)，以及AR光學(xué)模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等近期融資消息的頻繁披露，導(dǎo)致光波導(dǎo)的討論熱度也持續(xù)增加了不少。

那么，光波導(dǎo)的工作原理是怎樣的？ 市面上林林總總的陣列光波導(dǎo)、幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)、多層光波導(dǎo)又有什么不同？ 它又是如何一步步改變AR眼鏡市場(chǎng)格局的？

我們更看好哪一種光波導(dǎo)技術(shù)，為什么？

接下來(lái)，就讓Rokid R-lab光學(xué)研究科學(xué)家、美國(guó)加州伯克利大學(xué)電子工程系博士李琨為你娓娓道來(lái)。

01光波導(dǎo)，一個(gè)應(yīng)AR眼鏡需求而生的光學(xué)方案

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是近年來(lái)廣受關(guān)注的科技領(lǐng)域，它們的近眼顯示系統(tǒng)都是將顯示器上的像素， 通過(guò)一系列光學(xué)成像元件形成遠(yuǎn)處的虛像并投射到人眼中。

不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實(shí)的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統(tǒng)不能擋在視線前方。這就需要多加一個(gè)或一組光學(xué)組合器(optical combiner)，通過(guò)“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實(shí)場(chǎng)景融為一體，互相補(bǔ)充，互相“增強(qiáng)”。

圖 1. (a) 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖; (b) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖。

NED：近眼顯示(Near-eye display)

AR設(shè)備的光學(xué)顯示系統(tǒng)通常由微型顯示屏和光學(xué)元件組成。概括來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上的AR眼鏡采用的顯示系統(tǒng)就是各種微型顯示屏和棱鏡、自由曲面、BirdBath、光波導(dǎo)等光學(xué)元件的組合，其中光學(xué)組合器的不同，是區(qū)分AR顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

微型顯示屏，用來(lái)為設(shè)備提供顯示內(nèi)容。它可以是自發(fā)光的有源器件，比如發(fā)光二極管面板像micro-OLED和現(xiàn)在很熱門的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，還有基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的數(shù)字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和激光束掃描儀(LBS)。

這里做了一張簡(jiǎn)單的AR光學(xué)顯示系統(tǒng)的分類和產(chǎn)品舉例：

很顯然，完美的光學(xué)方案還沒(méi)有出現(xiàn)，才有目前市場(chǎng)上百家爭(zhēng)鳴、百花齊放的狀態(tài)，這需要AR眼鏡的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、產(chǎn)品定位等來(lái)做權(quán)衡取舍。

我們認(rèn)為，光波導(dǎo)方案從光學(xué)效果、外觀形態(tài)，和量產(chǎn)前景來(lái)說(shuō)，都具備最好的發(fā)展?jié)摿Γ赡軙?huì)是讓AR眼鏡走向消費(fèi)級(jí)的不二之選。

02光波導(dǎo)是如何工作的

在上述光學(xué)成像元件中，光波導(dǎo)技術(shù)是應(yīng)AR眼鏡需求而生的一個(gè)比較有特色的光學(xué)組件，因它的輕薄與外界光線的高穿透特性而被認(rèn)為是消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的必選光學(xué)方案，而隨著微軟Hololens兩代產(chǎn)品以及Magic Leap One等設(shè)備對(duì)光波導(dǎo)的采用和量產(chǎn)，關(guān)于光波導(dǎo)的討論熱度也在持續(xù)增加。

其實(shí)，波導(dǎo)技術(shù)并不是什么新發(fā)明，我們熟悉的光通信系統(tǒng)中，用來(lái)傳輸信號(hào)的光纖組成了無(wú)數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導(dǎo)的一種，只不過(guò)傳輸?shù)氖俏覀兛床灰?jiàn)的紅外波段的光。

在AR眼鏡中，要想光在傳輸?shù)倪^(guò)程中無(wú)損失無(wú)泄漏，“全反射”是關(guān)鍵，即光在波導(dǎo)中像只游蛇一樣通過(guò)來(lái)回反射前進(jìn)而并不會(huì)透射出來(lái)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)達(dá)到全反射需要滿足兩個(gè)條件：(1) 傳輸介質(zhì)即波導(dǎo)材料需要具備比周圍介質(zhì)高的折射率(如圖2所示n1> n2);

(2) 光進(jìn)入波導(dǎo)的入射角需要大于臨界角θc.

圖 2. 全反射原理示意圖

光機(jī)完成成像過(guò)程后，波導(dǎo)將光耦合進(jìn)自己的玻璃基底中，通過(guò)“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜?lái)。

這個(gè)過(guò)程中波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸圖像，一般情況下不對(duì)圖像本身做任何“功”(比如放大縮小等)，可以理解為“平行光進(jìn)，平行光出”，所以它是獨(dú)立于成像系統(tǒng)而存在的一個(gè)單獨(dú)元件。

光波導(dǎo)的這種特性，對(duì)于優(yōu)化頭戴的設(shè)計(jì)和美化外觀有很大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橛辛瞬▽?dǎo)這個(gè)傳輸渠道，可以將顯示屏和成像系統(tǒng)遠(yuǎn)離眼鏡移到額頭頂部或者側(cè)面，這極大降低了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)外界視線的阻擋，并且使得重量分布更符合人體工程學(xué)，從而改善了設(shè)備的佩戴體驗(yàn)。

這里將波導(dǎo)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)和不足羅列如下，希望讀者閱讀完本文后會(huì)對(duì)背后的緣由更加了解。

優(yōu)點(diǎn)

?增大動(dòng)眼框范圍從而適應(yīng)更多人群，改善機(jī)械容差，推動(dòng)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn) – 通過(guò)一維和二維擴(kuò)瞳技術(shù)增大動(dòng)眼框。

? 成像系統(tǒng)旁置，不阻擋視線并且改善配重分布 – 波導(dǎo)鏡片像光纜一樣將圖像傳輸?shù)饺搜邸?/p>

? 外觀形態(tài)更像傳統(tǒng)眼鏡，利于設(shè)計(jì)迭代 – 波導(dǎo)形態(tài)一般是平整輕薄的玻璃片，其輪廓可以切割。

? 提供了“真”三維圖像的可能性 – 多層波導(dǎo)片可以堆疊在一起，每層提供一個(gè)虛像距離。

不足

? 光學(xué)效率相對(duì)較低 – 光在耦合進(jìn)出波導(dǎo)以及傳輸?shù)倪^(guò)程中都會(huì)有損失，并且大的動(dòng)眼框使得單點(diǎn)輸出亮度降低。

? 幾何波導(dǎo): 繁冗的制造工藝流程導(dǎo)致總體良率較低。

? 衍射波導(dǎo): 衍射色散導(dǎo)致圖像有“彩虹”現(xiàn)象和光暈，非傳統(tǒng)幾何光學(xué)，設(shè)計(jì)門檻較高。

圖 3. 基于波導(dǎo)的AR眼鏡外觀原理示意圖

03光波導(dǎo)的不同分類

如文章第二部分所提，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是輕薄透明的玻璃基底(一般厚度在幾毫米或亞毫米級(jí)別)，光通過(guò)在玻璃上下表面之間來(lái)回“全反射”前進(jìn)。

如果我們基于全反射的條件做一個(gè)計(jì)算，會(huì)發(fā)現(xiàn)只有一部分角度的入射光能夠在波導(dǎo)中傳輸，這便決定了AR眼鏡最終的視場(chǎng)角(FOV)范圍。

簡(jiǎn)而言之，越是大的視場(chǎng)角，就需要越高折射率的玻璃基底來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此傳統(tǒng)玻璃制造商比如康寧(Corning)和肖特(Schott)，近年來(lái)都在為近眼顯示市場(chǎng)研制專門的高折射率并且輕薄的玻璃基底，還在努力不斷增大晶元尺寸以降低波導(dǎo)生產(chǎn)的單位成本。

有了高折射率玻璃基底，區(qū)別波導(dǎo)類型就主要在于光進(jìn)出波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)了。

光波導(dǎo)總體上可以分為幾何光波導(dǎo)（Geometric Waveguide）和衍射光波導(dǎo)（Diffractive Waveguide）兩種，幾何光波導(dǎo)就是所謂的陣列光波導(dǎo)，其通過(guò)陣列反射鏡堆疊實(shí)現(xiàn)圖像的輸出和動(dòng)眼框的擴(kuò)大，代表光學(xué)公司是以色列的Lumus，目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)眼鏡產(chǎn)品。

衍射光波導(dǎo)主要有利用光刻技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導(dǎo)(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技術(shù)制造的全息體光柵波導(dǎo)(Volumetric Holographic Grating)， HoloLens 2，Magic Leap One均屬于前者，全息體光柵光波導(dǎo)則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵，蘋果公司收購(gòu)的Akonia公司采用的便是全息體光柵，另外致力于這個(gè)方向的還有Digilens。這個(gè)技術(shù)還在發(fā)展中，色彩表現(xiàn)比較好，但目前對(duì)FOV的限制也比較大。

這里還要區(qū)別一下真正的“全息技術(shù)”，其實(shí)這一直是個(gè)誤區(qū)，全息光柵只是因?yàn)槔昧祟愃朴谌⒄障嗟脑韥?lái)制造的，即用兩束激光形成干涉條紋來(lái)調(diào)制光柵材料的特性以形成“折射率周期”，光柵本身并不能夠全息成像。

04幾何光波導(dǎo)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

“幾何光波導(dǎo)”的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于優(yōu)化迭代，至今差不多快二十年了。

圖 4. 光波導(dǎo)的種類: (a) 幾何式光波導(dǎo)和“半透半反”鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導(dǎo)和表面浮雕光柵的原理示意圖， (c) 衍射式光波導(dǎo)和全息體光柵的原理示意圖。本圖改編自https://hackernoon.com/fundamentals-of-display-technologies-for-augmented-and-virtual-reality-c88e4b9b0895

按圖4(a)所示，耦合光進(jìn)入波導(dǎo)的一般是一個(gè)反射面或者棱鏡。在多輪全反射后光到達(dá)眼鏡前方時(shí)，會(huì)遇到一個(gè)“半透半反”鏡面陣列，這就是耦合光出波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)了，也就是幾何光波導(dǎo)里的“光組合器”。

“半透半反”(確切說(shuō)是“部分透部分反”)的鏡面是嵌入到玻璃基底里面并且與傳輸光線形成一個(gè)特定角度的表面，每一個(gè)鏡面會(huì)將部分光線反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼，剩下的光線透射過(guò)去繼續(xù)在波導(dǎo)中前進(jìn)。然后這部分前進(jìn)的光又遇到另一個(gè)“半透半反”鏡面，從而重復(fù)上面的“反射-透射”過(guò)程，直到鏡面陣列里的最后一個(gè)鏡面將剩下的全部光反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼。

在傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中，圖像通常只有一個(gè)“出口”，叫做出瞳。這里的“半透半反”鏡面陣列相當(dāng)于將出瞳沿水平方向復(fù)制了多份，每一個(gè)出瞳都輸出相同的圖像，這樣眼睛在橫向移動(dòng)時(shí)都能看到圖像，這就是一維擴(kuò)瞳技術(shù)(1D EPE)。

詳細(xì)說(shuō)明，假設(shè)進(jìn)入波導(dǎo)“入瞳”的是直徑4毫米的光束，由于波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸而并不把圖像放大縮小等，那么“出瞳”的也是4毫米的光束，在這種情況下人眼的瞳孔中心只能在這4毫米的范圍內(nèi)移動(dòng)并且仍能看到圖像。

這樣的問(wèn)題是，不同性別和年齡的人雙眼瞳孔間距可能從51毫米到77毫米不等，如果近眼顯示系統(tǒng)的光學(xué)中心依據(jù)瞳距的平均值(63.5毫米)位置來(lái)設(shè)計(jì)，這就意味著有很大一部分人戴上這個(gè)眼鏡看不到清晰的圖像或完全接收不到圖像。

有了這個(gè)擴(kuò)瞳技術(shù)，動(dòng)眼框范圍通常能從最初的4毫米左右擴(kuò)大到10毫米以上。你可能會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)，多個(gè)出瞳，這樣眼睛不會(huì)看到重影么？放心吧，出瞳面只是圖像的“傅里葉面”，人眼瞳孔會(huì)從這個(gè)面截取完整的圖像信息并用自帶的“透鏡”晶狀體會(huì)將出瞳面透射到真正的“像面”（視網(wǎng)膜）上，因而同一角度的光還是會(huì)匯聚到同一個(gè)像素（視覺(jué)細(xì)胞），不會(huì)出現(xiàn)重影。

可能有點(diǎn)難理解，但這是擴(kuò)瞳技術(shù)可行的精髓。動(dòng)眼框的擴(kuò)大解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的很多問(wèn)題，例如機(jī)械設(shè)計(jì)容差、產(chǎn)品規(guī)格數(shù)目(需不需要分男版和女版)、用戶交互體驗(yàn)等，將AR眼鏡向消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)大大推動(dòng)了一步。

但是天下沒(méi)有免費(fèi)的晚餐，復(fù)制出瞳導(dǎo)致總的出光面積增大，自然而然在每一個(gè)出瞳的位置看到的通光量就減小了，這也是引起波導(dǎo)技術(shù)光效率比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)偏低的原因之一。

幾何光波導(dǎo)運(yùn)用傳統(tǒng)幾何光學(xué)設(shè)計(jì)理念、仿真軟件和制造流程，沒(méi)有牽扯到任何微納米級(jí)結(jié)構(gòu)。因此圖像質(zhì)量包括顏色和對(duì)比度可以達(dá)到很高的水準(zhǔn)。

但是，工藝流程比較繁冗，其中一步是“半透半反”鏡面陣列的鍍膜工藝。由于光在傳播過(guò)程中會(huì)越來(lái)越少，那么陣列中這五六個(gè)鏡面的每一個(gè)都需要不同的反射透射比(R/T)，以保證整個(gè)動(dòng)眼框范圍內(nèi)的出光量是均勻的。

并且由于幾何波導(dǎo)傳播的光通常是偏振的(來(lái)源于LCOS微型顯示屏的工作原理)，導(dǎo)致每個(gè)鏡面的鍍膜層數(shù)可能達(dá)到十幾甚至幾十層。另外，這些鏡面是鍍膜后層層摞在一起并用特殊的膠水粘合，然后按照一個(gè)角度切割出波導(dǎo)的形狀，這個(gè)過(guò)程中鏡面之間的平行度和切割的角度都會(huì)影響到成像質(zhì)量。

因此，即使每一步工藝都可以達(dá)到高良率，這幾十步結(jié)合起來(lái)的總良率卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。每一步工藝的失敗都可能導(dǎo)致成像出現(xiàn)瑕疵，常見(jiàn)的有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。

另外，雖然隨著工藝的優(yōu)化鏡面陣列已經(jīng)幾乎做到“不可見(jiàn)”，但在關(guān)掉光機(jī)的情況下仍然可以看到鏡片上的一排豎條紋(即鏡面陣列)，可能會(huì)遮擋一部分外部視線，也影響了AR眼鏡的美觀。

接下來(lái)，我們重點(diǎn)分析下光波導(dǎo)的另一個(gè)類群 – 衍射光波導(dǎo) (Diffractive Waveguide)，我們將著重講解衍射光波導(dǎo)的工作原理，與幾何光波導(dǎo)相比的優(yōu)缺點(diǎn)，以及衍射光波導(dǎo)使用的兩種主流光柵 – “表面浮雕光柵(SRG)”和”全息體光柵(VHG)”。 AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀，真正走向消費(fèi)市場(chǎng)，衍射光波導(dǎo)，具體說(shuō)表面浮雕光柵方案是目前的不二之選。目前諸如微軟HoloLens一代和二代、Magic Leap One等多家明星產(chǎn)品，使用并用消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品證明了衍射光波導(dǎo)的可量產(chǎn)性。Rokid最新發(fā)布的Rokid Vision AR眼鏡也是采用雙目衍射光波導(dǎo)的方案。 制造衍射光波導(dǎo)所需要精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器都價(jià)格不菲，并且需要放置在專業(yè)的超凈間里，有條件建立該產(chǎn)線的廠商屈指可數(shù)。 下面，就讓我們通過(guò)后半部分的內(nèi)容，了解下對(duì)于AR眼鏡而言，神秘又重要的衍射光波導(dǎo)技術(shù)。 05衍射光波導(dǎo)的核心 – 衍射光柵 要想光機(jī)產(chǎn)生的虛像被光波導(dǎo)傳遞到人眼，需要有一個(gè)光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波導(dǎo)的過(guò)程，在幾何光波導(dǎo)里這兩個(gè)過(guò)程都是由傳統(tǒng)光學(xué)元器件比如棱鏡、“半透半反”鏡面陣列完成的，過(guò)程簡(jiǎn)單易懂，但是具有體積和量產(chǎn)工藝上的挑戰(zhàn)。在衍射光波導(dǎo)里，傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產(chǎn)生和流行得益于光學(xué)元件從毫米級(jí)別到微納米級(jí)別，從“立體”轉(zhuǎn)向“平面”的技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)。

那么衍射光柵是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，這個(gè)周期可以是材料表面浮雕出來(lái)的高峰和低谷 (圖4b)，也可以是全息技術(shù)在材料內(nèi)部曝光形成的“明暗干涉條紋”(圖4c)，但歸根結(jié)底都是在材料中引起了一個(gè)折射率n (refractive index)的周期性變化。 這個(gè)周期一般是微納米級(jí)別的，與可見(jiàn)光波長(zhǎng)(~450-700nm)一個(gè)量級(jí)，才能對(duì)光線產(chǎn)生有效的操控。 衍射光柵的“分光”體現(xiàn)在兩個(gè)維度，如圖5中所示，假設(shè)入射光是單一波長(zhǎng)的綠光，它會(huì)被衍射光柵分成若干個(gè)衍射級(jí)(diffraction order)，每一個(gè)衍射級(jí)沿著不同的方向繼續(xù)傳播下去，包括反射式衍射(R0, R±1, R±2,…)和透射式衍射(T0, T±1, T±2,…)的光線，每一個(gè)衍射級(jí)對(duì)應(yīng)的衍射角度(θm， m=±1, ±2, …)由光線的入射角(θ)和光柵的周期(Λ)決定，通過(guò)設(shè)計(jì)光柵的其他參數(shù)(材料折射率n、光柵形狀、厚度、占空比等)可以將某一衍射級(jí)(即某一方向)的衍射效率優(yōu)化到最高，從而使大部分光在衍射后主要沿這一方向傳播。

圖 5. (a) 表面浮雕光柵的部分衍射級(jí)和色散示意圖, (b) 全息體光柵的部分衍射級(jí)和色散示意圖， (c) 衍射光柵與分光棱鏡的對(duì)比示意圖。 這就起到了與傳統(tǒng)光學(xué)器件類似的改變光線傳播方向的作用，但是它所有的操作又都是在平面上通過(guò)微納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，所以非常節(jié)省空間，自由度也比傳統(tǒng)光學(xué)器件大很多。 對(duì)于光波導(dǎo)而言，這一衍射角度還需要滿足玻璃基底里的全反射條件才能在波導(dǎo)中傳播，這在上一篇中有分析過(guò)。 在將入射光分成不同衍射級(jí)的基礎(chǔ)上，衍射光柵的另一“分光”維度體現(xiàn)在色散，即對(duì)同一光柵周期來(lái)說(shuō)，不同波長(zhǎng)的衍射角度(θm)也不同。如圖5所示，假設(shè)入射光是白光，那么波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光線衍射角度越大，即圖示的衍射角紅光(R)>綠光(G)>藍(lán)光(B)，這一色散作用在反射衍射和透射衍射中都會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。 這個(gè)現(xiàn)象是不是看上去有點(diǎn)熟悉？我想大家小時(shí)候都玩過(guò)棱鏡，太陽(yáng)光(白光)通過(guò)它之后也會(huì)被分光成“彩虹”，只不過(guò)它的分光原理是光的折射作用而非衍射作用。圖5(c)將衍射光柵的分光現(xiàn)象(包括多衍射級(jí)和色散作用)與棱鏡的分光色散做了直觀的對(duì)比，可以看到衍射光柵將光分成不同衍射級(jí)別的同時(shí)，每一個(gè)級(jí)別又都有色散現(xiàn)象，比分光棱鏡要復(fù)雜很多。 06衍射光波導(dǎo)的工作原理了解了衍射光柵的工作原理之后，我們來(lái)看一下它如何在光波導(dǎo)中工作的。 如果我們回憶上一篇文章中提到的，在幾何光波導(dǎo)中利用“半透半反”鏡面陣列可以實(shí)現(xiàn)一維擴(kuò)瞳，如果我們將這個(gè)概念轉(zhuǎn)移到衍射光波導(dǎo)里，如圖6(a)所示，可以簡(jiǎn)單地用入射光柵來(lái)將光耦合入波導(dǎo)，然后用出射光柵代替鏡面陣列。即像蛇一樣在波導(dǎo)里面“游走”的全反射光線在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時(shí)候就有一部分光通過(guò)衍射釋放出來(lái)進(jìn)入眼睛，剩下的一部分光繼續(xù)在波導(dǎo)中傳播直到下一次打到波導(dǎo)表面的光柵上，不難理解一維擴(kuò)瞳即可以實(shí)現(xiàn)了。

圖 6. 衍射光波導(dǎo)中的擴(kuò)瞳技術(shù): (a) 一維擴(kuò)瞳, (b) 利用轉(zhuǎn)折光柵實(shí)現(xiàn)的二維擴(kuò)瞳， (c) 利用二維光柵實(shí)現(xiàn)的二維擴(kuò)瞳。 但是人們并不滿足于在一個(gè)方向上(即沿雙眼瞳距的X方向)增大動(dòng)眼框，既然光柵結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)光學(xué)器件能夠在更大的自由度上操控光的特性，那么我們何不在另一個(gè)方向上(即沿鼻梁的Y方向)也實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳呢，這樣不只可以使得AR眼鏡能夠接受更大范圍的瞳距，也可以對(duì)不同臉型、鼻梁高度的人群更有兼容性。 用衍射光柵實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳的概念十幾年前由位于芬蘭的Nokia研究中心的科學(xué)家Dr. Tapani Levola提出，并且給業(yè)內(nèi)貢獻(xiàn)了許多有價(jià)值的論文，主要使用的是表面浮雕光柵(SRG)。 后來(lái)這部分IP分別被Microsoft和Vuzix購(gòu)買或者獲得使用執(zhí)照(license)，所以現(xiàn)在的HoloLens I和Vuzix Blade用的都是類似的光柵結(jié)構(gòu)和排布。如圖6(b)所示，另一個(gè)全息體光柵(VHG)的代表光學(xué)公司Digilens也是用類似的三區(qū)域光柵排布來(lái)實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳?？梢钥吹疆?dāng)入射光柵(input grating)將光耦合入波導(dǎo)后，會(huì)進(jìn)入一個(gè)轉(zhuǎn)折光柵(fold/turn grating)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的光柵溝壑方向與入射光柵呈一定角度，為了方便理解我們假定它是45度角，那么它就像一個(gè)45度的鏡子一樣將X方向打來(lái)的光反射一下變成沿Y方向傳播。 并且在這個(gè)轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，由于全反射行進(jìn)的光線會(huì)與轉(zhuǎn)折光柵相遇好幾次，每一次都將一部分光轉(zhuǎn)90度，另一部分光繼續(xù)橫向前進(jìn)，這就實(shí)現(xiàn)了類似圖6(a)的在X方向的一維擴(kuò)瞳，只不過(guò)擴(kuò)瞳后的光并沒(méi)有耦合出波導(dǎo)，而是繼續(xù)沿Y方向前進(jìn)進(jìn)入第三個(gè)光柵區(qū)域 – 出射光柵 (output grating)。 出射光柵的結(jié)構(gòu)與入射光柵類似，只不過(guò)面積要大很多而且光柵溝壑的方向與入射光柵垂直，因?yàn)樗袚?dān)著在Y方向擴(kuò)瞳的重任，過(guò)程與圖6(a)類似，只不過(guò)它接受的是多個(gè)光束而非一個(gè)。我們假設(shè)單瞳(pupil)的入射光在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)折光柵后擴(kuò)展成M x 1個(gè)瞳(即一個(gè)X方向的一維陣列)，那么在經(jīng)過(guò)出射光柵后就被擴(kuò)展成了一個(gè)M x N的二維矩陣，其中N是光線在出射光柵區(qū)域全反射的次數(shù)即擴(kuò)瞳的個(gè)數(shù)。 用轉(zhuǎn)折光柵實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳是一個(gè)比較直觀也是目前市面上主流產(chǎn)品如HoloLens I, Vuzix Blade, Magic Leap One, Digilens等采取的方式，其中三個(gè)光柵區(qū)域的面積、形態(tài)、排布方式可以根據(jù)眼鏡的光學(xué)參數(shù)要求和外形設(shè)計(jì)來(lái)靈活調(diào)節(jié)。 另外一種實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳的方式是直接使用二維光柵，即光柵在至少兩個(gè)方向上都有周期，比較直觀來(lái)講就是單向“溝壑”變?yōu)橹鶢铌嚵小?lái)自英國(guó)的衍射光波導(dǎo)公司W(wǎng)aveOptics就是采用的這種結(jié)構(gòu)，如圖6(c)所示，從入射光柵(區(qū)域1)耦合進(jìn)波導(dǎo)的光直接進(jìn)入?yún)^(qū)域3，這個(gè)區(qū)域的二維柱狀陣列可以同時(shí)將光線在X和Y兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)束，并且一邊傳播一邊將一部分光耦合出來(lái)進(jìn)入人眼。 可想而知這個(gè)二維光柵的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，因?yàn)樵诩骖櫠鄠€(gè)傳播方向的耦合效率同時(shí)還要平衡每個(gè)出瞳的出光均勻性。 它的好處是只有兩個(gè)光柵區(qū)域，減少了光在傳播中的損耗，并且由于沒(méi)有了轉(zhuǎn)折光柵，出射光柵就可以在有限的玻璃鏡片上占據(jù)更大的面積，從而增大有效動(dòng)眼框的范圍。 WaveOptics 40度FOV的模組動(dòng)眼框可以達(dá)到19 x 15 mm，是目前市面上的同類產(chǎn)品中最大的。 07衍射光波導(dǎo)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 衍射光波導(dǎo)技術(shù)與幾何光波導(dǎo)相比主要優(yōu)勢(shì)在于光柵在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上的靈活性，不論是利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微納米制造生產(chǎn)工藝的表面浮雕光柵，還是利用全息干涉技術(shù)制成的體光柵，都是在玻璃基底平面上加鍍一層薄膜然后加工，不需要像幾何光波導(dǎo)中的玻璃切片和粘合工藝，可量產(chǎn)性和良率要高很多。 另外，利用轉(zhuǎn)折光柵或者二維光柵可以實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳，使得動(dòng)眼框在鼻梁方向也能覆蓋更多不同臉型的人群，給人體工程學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化用戶體驗(yàn)留了更大的容差空間。由于衍射波導(dǎo)在Y方向上也實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)瞳，使得光機(jī)在Y方向的尺寸也比幾何光波導(dǎo)的光機(jī)減小了。 在幾何光波導(dǎo)中，需要在鏡面陣列中的每個(gè)鏡面上鍍不同R/T比的多層膜，來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)出瞳的出光均勻，需要非常繁冗的多步工藝。而對(duì)于衍射光柵來(lái)說(shuō)，只需要改變光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)例如占空比、光柵形狀等，將最終結(jié)構(gòu)編輯到光刻機(jī)、電子束曝光機(jī)、或者全息干涉的掩膜(mask)里，便可一步“寫”到光柵薄膜上，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)出瞳的出光均勻。 然而，衍射光波導(dǎo)技術(shù)也有它的不足，主要來(lái)源于衍射元件本身對(duì)于角度和顏色的高度選擇性，這在圖5中有所解釋。 首先需要在多個(gè)衍射級(jí)別的情況下優(yōu)化某一個(gè)方向上的衍射效率從而降低光在其他衍射方向上的損耗。 拿表面浮雕光柵的入射光柵來(lái)說(shuō)，圖6(a)中對(duì)稱的矩形光柵結(jié)構(gòu)衍射到左邊的光并不會(huì)被收集傳播到眼睛里，相當(dāng)于浪費(fèi)了一半的光。因此一般需要采用如圖4(b)中的傾斜光柵(slanted grating)或者三角形的閃耀光柵(blazed grating)，使得往眼睛方向衍射的光耦合效率達(dá)到最高。這種傾斜的表面浮雕光柵在生產(chǎn)工藝上比傳統(tǒng)矩形光柵要求更高。 然后就是如何對(duì)付色散問(wèn)題，如圖5中提到的，同一個(gè)衍射光柵對(duì)于不同的波長(zhǎng)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的衍射角度。 由于來(lái)自光機(jī)的是紅綠藍(lán)(RGB)三色，每個(gè)顏色包含不同的波長(zhǎng)波段。當(dāng)它們通過(guò)入射光柵發(fā)生衍射后，如圖7(a)所示，假設(shè)我們優(yōu)化的是+1級(jí)的衍射光即T+1, 對(duì)于不同的波長(zhǎng)衍射角θ+1T就會(huì)不同，即R>G>B。

圖 7. 衍射光波導(dǎo)中的色散問(wèn)題: (a) 單層光波導(dǎo)和光柵會(huì)引起出射光的“彩虹效應(yīng)”, (b) 多層光波導(dǎo)和光柵提高了出射光的顏色均勻性。
由于這個(gè)角度的不同，光每完成一次全反射所經(jīng)歷的路程長(zhǎng)度也會(huì)不同，紅色全反射的次數(shù)少于綠色，而藍(lán)色全反射次數(shù)最多。由于這個(gè)差異，圖7(a)中的光在最終遇到出射光柵時(shí)(請(qǐng)看指向眼鏡的箭頭)，藍(lán)色會(huì)被耦合出3次(即出瞳擴(kuò)成3個(gè))，綠色2次，紅色1次，這會(huì)導(dǎo)致眼睛移動(dòng)到動(dòng)眼框的不同位置看到的RGB色彩比例是不均勻的。 另外，即使同一顏色的衍射效率也會(huì)隨著入射角度的不同而浮動(dòng)，這就導(dǎo)致在整個(gè)視場(chǎng)角(FOV)范圍內(nèi)紅綠藍(lán)三色光的分布比例也會(huì)不同，即出現(xiàn)所謂的“彩虹效應(yīng)”。 為了改善色散問(wèn)題，可以如圖7(b)所示將紅綠藍(lán)三色分別耦合到三層波導(dǎo)里面，每一層的衍射光柵都只針對(duì)某一個(gè)顏色而優(yōu)化，從而可以改善最終在出瞳位置的顏色均勻性，減小彩虹效應(yīng)。 但是由于RGB LED每個(gè)顏色內(nèi)部也不是單一的波長(zhǎng)，而是覆蓋了一小段波長(zhǎng)段，仍然會(huì)有輕微的彩虹效應(yīng)存在，這是衍射光柵的物理特性導(dǎo)致的，色彩均勻性問(wèn)題只能通過(guò)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化但不能完全消除。 最近問(wèn)世的Hololens II 則將LED光源換成了光譜很窄的激光光源，會(huì)極大地減小彩虹效應(yīng)。為了使得眼鏡片更輕薄，市面上大部分產(chǎn)品將紅綠色(RG)并入一層波導(dǎo)傳播。也有勇于探索的廠商使用一些新型光柵設(shè)計(jì)將RGB三色都并入一層波導(dǎo)，例如波導(dǎo)公司Dispelex，但目前全彩的demo只有30度左右FOV。 總結(jié)一下，衍射這個(gè)物理過(guò)程本身對(duì)于角度和波長(zhǎng)的選擇性導(dǎo)致了色散問(wèn)題的存在，主要表現(xiàn)為FOV和動(dòng)眼框內(nèi)的顏色不均勻即“彩虹效應(yīng)”。光柵設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于所覆蓋顏色波段和入射角(即FOV)范圍很難兼顧，如何用一層光柵作用于RGB三色并且能實(shí)現(xiàn)最大的FOV是業(yè)內(nèi)面臨的挑戰(zhàn)。 08衍射光波導(dǎo)的分類 目前表面浮雕光柵(SRG)占市場(chǎng)上衍射光波導(dǎo)AR眼鏡產(chǎn)品的大多數(shù)，得益于傳統(tǒng)光通信行業(yè)中設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)積累。 它的設(shè)計(jì)門檻比傳統(tǒng)光學(xué)要高一些，主要在于衍射光柵由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入微納米量級(jí)，需要用到物理光學(xué)的仿真工具，然后光進(jìn)入波導(dǎo)后的光線追蹤(ray tracing)部分又需要和傳統(tǒng)的幾何光學(xué)仿真工具結(jié)合起來(lái)。 它的制造過(guò)程先是通過(guò)傳統(tǒng)半導(dǎo)體的微納米加工工藝(Micro/Nano-fabrication)，在硅基底上通過(guò)電子束曝光(Electron Beam Lithography)和離子刻蝕(Ion Beam Etching)制成光柵的壓印模具(Master Stamp)，這個(gè)模具可以通過(guò)納米壓印技術(shù)(Nanoimprint Lithography)壓印出成千上萬(wàn)個(gè)光柵。 納米壓印需要先在玻璃基底(即波導(dǎo)片)上均勻涂上一層有機(jī)樹脂(resin)，然后拿壓印模具蓋下來(lái)，過(guò)程很像“權(quán)力游戲”里古時(shí)候寄信時(shí)用的封蠟戳，只不過(guò)這里我們需要用紫外線照射使resin固化，固化后再把“戳”提起來(lái)，波導(dǎo)上的衍射光柵就形成啦。 這種resin一般是在可見(jiàn)光波段透明度很高的材料，而且也需要與波導(dǎo)玻璃類似的高折射率指數(shù)(index)。表面浮雕光柵已經(jīng)被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等產(chǎn)品的問(wèn)世證明了加工技術(shù)的高量產(chǎn)性，只不過(guò)精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器都價(jià)格不菲，并且需要放置在專業(yè)的超凈間里，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)有條件建立該產(chǎn)線的廠商屈指可數(shù)。 在做全息體光柵(VHG)波導(dǎo)方案的廠家比較少，包括十年前就為美國(guó)軍工做AR頭盔的Digilens，曾經(jīng)出過(guò)單色AR眼鏡的Sony，還有由于被蘋果收購(gòu)而變得很神秘的Akonia，還有一些專攻體光柵設(shè)計(jì)和制造的廠家。 他們所用的材料一般都是自家的配方，基本是感光樹脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或者兩者混合。制作過(guò)程也是先將一層有機(jī)薄膜涂在玻璃基底上，然后通過(guò)兩個(gè)激光光束產(chǎn)生干涉條紋對(duì)薄膜進(jìn)行曝光，明暗干涉條紋會(huì)引起材料不同的曝光特性，導(dǎo)致薄膜內(nèi)出現(xiàn)了折射率差(Δn, index contrast)，即生成了衍射光柵必備的周期性。 由于體光柵由于受到可利用材料的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的Δn有限，導(dǎo)致它目前在FOV、光效率、清晰度等方面都還未達(dá)到與表面浮雕光柵同等的水平。但是由于它在設(shè)計(jì)壁壘、工藝難度和制造成本上都有一定優(yōu)勢(shì)，業(yè)內(nèi)對(duì)這個(gè)方向的探索從未停歇。 09總結(jié) 好了，說(shuō)了這么多，讓我們比較下光波導(dǎo)的各個(gè)技術(shù)方案來(lái)看看究竟花落誰(shuí)家，為了方便大家橫向比較我們總結(jié)了一個(gè)比較詳細(xì)的表格。

其中幾何光波導(dǎo)基于傳統(tǒng)光學(xué)的設(shè)計(jì)理念和制造工藝，并且實(shí)現(xiàn)了一維擴(kuò)瞳。它的龍頭老大是以色列公司Lumus，目前demo了55度FOV，成像亮度和質(zhì)量都非常好。 但遺憾的是幾何光波導(dǎo)的制造工藝非常繁冗，導(dǎo)致最終的良率堪憂，由于市面上還沒(méi)有出現(xiàn)達(dá)到消費(fèi)級(jí)別的AR眼鏡產(chǎn)品，它的可量產(chǎn)性還是一個(gè)未知數(shù)。 衍射光波導(dǎo)得益于微納米結(jié)構(gòu)和“平面光學(xué)”的技術(shù)發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)二維擴(kuò)瞳。其中主流的表面浮雕光柵被多家明星公司使用并用消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品證明了它的可量產(chǎn)性，其中HoloLens II達(dá)到了52度FOV。 另外一種全息體光柵也在平行發(fā)展中，如果能夠在材料上突破瓶頸以提升光學(xué)參數(shù)，未來(lái)量產(chǎn)也很有希望。我們認(rèn)為，衍射光波導(dǎo)具體說(shuō)表面浮雕光柵方案是目前AR眼鏡走向消費(fèi)市場(chǎng)的不二之選。

但是由于衍射光柵設(shè)計(jì)門檻高和“彩虹效應(yīng)”的存在，做出理想的AR眼鏡仍然任重道遠(yuǎn)，需要業(yè)內(nèi)各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力，Rokid AR團(tuán)隊(duì)也致力與大家一起探索AR眼鏡這一核心技術(shù)的突破與應(yīng)用，以期為用戶帶來(lái)真正輕薄便攜、體驗(yàn)優(yōu)秀的AR眼鏡。

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