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

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HoloLens2、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眼鏡市場格局的？我們更看好哪一種光波導(dǎo)技術(shù)，為什么？

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

一光波導(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“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實(shí)場景融為一體，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，簡稱NED)

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。概括來說，目前市場上的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)。

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

因?yàn)楸疚闹饕U述光波導(dǎo)的工作原理和特點(diǎn)，對(duì)其它光學(xué)方案不做詳細(xì)介紹，關(guān)于幾種方案的區(qū)別，之前也有較多文章進(jìn)行了闡述。

很顯然，完美的光學(xué)方案還沒有出現(xiàn)，才有目前市場上百家爭鳴、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)用場景、產(chǎn)品定位等來做權(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)前景來說，都具備最好的發(fā)展?jié)摿?，可能?huì)是讓AR眼鏡走向消費(fèi)級(jí)的不二之選。

二光波導(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，用來傳輸信號(hào)的光纖組成了無數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導(dǎo)的一種，只不過傳輸?shù)氖俏覀兛床灰姷?a target="_blank">紅外波段的光。

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

簡單來說達(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)完成成像過程后，波導(dǎo)將光耦合進(jìn)自己的玻璃基底中，通過“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜怼?/p>

這個(gè)過程中波導(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。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^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

三光波導(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)，光通過在玻璃上下表面之間來回“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眼鏡最終的視場角(FOV)范圍。

簡而言之，越是大的視場角，就需要越高折射率的玻璃基底來實(shí)現(xiàn)。因此傳統(tǒng)玻璃制造商比如康寧(Corning)和肖特(Schott)，近年來都在為近眼顯示市場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韥碇圃斓模从脙墒す庑纬筛缮鏃l紋來調(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。

四幾何光波導(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，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。由于光在傳播過程中會(huì)越來越少，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”，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，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，衍射光波導(dǎo)，具體說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)。

五 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)的過程，在幾何光波導(dǎo)里這兩個(gè)過程都是由傳統(tǒng)光學(xué)元器件比如棱鏡、“半透半反”鏡面陣列完成的，過程簡單易懂，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。

那么衍射光柵是什么呢？簡單來說，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，與可見光波長(~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。

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)同一光柵周期來說，不同波長的衍射角度(θm)也不同。如圖5所示，假設(shè)入射光是白光，那么波長越長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。

這個(gè)現(xiàn)象是不是看上去有點(diǎn)熟悉？我想大家小時(shí)候都玩過棱鏡，太陽光(白光)通過它之后也會(huì)被分光成“彩虹”，只不過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。

六 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，可以簡單地用入射光柵來將光耦合入波導(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衍射釋放出來進(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)。

后來這部分IP分別被Microsoft和Vuzix購買或者獲得使用執(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，只不過擴(kuò)瞳后的光并沒有耦合出波導(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，過程與圖6(a)類似，只不過它接受的是多個(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，比較直觀來講就是單向“溝壑”變?yōu)橹鶢铌嚵?。來自英國的衍射光波?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。

七 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)于衍射光柵來說，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說，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)付色散問題，如圖5中提到的，同一個(gè)衍射光柵對(duì)于不同的波長會(huì)對(duì)應(yīng)不同的衍射角度。

由于來自光機(jī)的是紅綠藍(lán)(RGB)三色，每個(gè)顏色包含不同的波長波段。當(dāng)它們通過入射光柵發(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，而是覆蓋了一小段波長段，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，色彩均勻性問題只能通過設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化但不能完全消除。

最近問世的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)物理過程本身對(duì)于角度和波長的選擇性導(dǎo)致了色散問題的存在，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)。

八 衍射光波導(dǎo)的分類

目前表面浮雕光柵(SRG)占市場上衍射光波導(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。

它的制造過程先是通過傳統(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)模具可以通過納米壓印技術(shù)(Nanoimprint Lithography)壓印出成千上萬個(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，過程很像“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，波導(dǎo)上的衍射光柵就形成啦。

這種resin一般是在可見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)品的問世證明了加工技術(shù)的高量產(chǎn)性，只不過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軍工做AR頭盔的Digilens，曾經(jīng)出過單色AR眼鏡的Sony，還有由于被蘋果收購而變得很神秘的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。制作過程也是先將一層有機(jī)薄膜涂在玻璃基底上，然后通過兩個(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，業(yè)內(nèi)對(duì)這個(gè)方向的探索從未停歇

九 總結(jié)

好了，說了這么多，讓我們比較下光波導(dǎo)的各個(gè)技術(shù)方案來看看究竟花落誰家，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)，未來量產(chǎn)也很有希望。我們認(rèn)為，衍射光波導(dǎo)具體說表面浮雕光柵方案是目前AR眼鏡走向消費(fèi)市場的不二之選。

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，為用戶帶來真正輕薄便攜、體驗(yàn)優(yōu)秀的AR眼鏡。