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| 本文作者： 李琨 | 2019-07-16 17:00 |
在上一篇文章中我們介紹了光波導的概念及與其他AR眼鏡光學方案的比較，然后重點分析了幾何光波導 (Geometric Waveguide) 的工作原理。
這篇文章，我們重點分析下光波導的另一個類群 – 衍射光波導 (Diffractive Waveguide)， AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀，真正走向消費市場，衍射光波導，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等多家明星產品，使用并用消費級產品證明了衍射光波導的可量產性，Rokid最新發布的Rokid Vision AR眼鏡也是采用雙目衍射光波導的方案。制造衍射光波導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格不菲，并且需要放置在專業的超凈間里，有條件建立該產線的廠商屈指可數。
下面，就讓我們通過這篇文章，了解下對于AR眼鏡而言，神秘又重要的衍射光波導技術。
圖 1. 光波導的種類: (a) 幾何式光波導和“半透半反”鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導和表面浮雕光柵的原理示意圖， (c) 衍射式光波導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
本文中我們將著重講解衍射光波導的工作原理，與幾何光波導相比的優缺點，以及衍射光波導使用的兩種主流光柵 – “表面浮雕光柵(SRG)”和”全息體光柵(VHG)”。
要想光機產生的虛像被光波導傳遞到人眼，需要有一個光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波導的過程，在幾何光波導里這兩個過程都是由傳統光學元器件比如棱鏡、“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工藝上的挑戰。在衍射光波導里，傳統的光學結構被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產生和流行得益于光學元件從毫米級別到微納米級別，從“立體”轉向“平面”的技術進步趨勢。
那么衍射光柵是什么呢？簡單來說，它是一個具有周期結構的光學元件，這個周期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷 (圖1b)，也可以是全息技術在材料內部曝光形成的“明暗干涉條紋”(圖1c)，但歸根結底都是在材料中引起了一個折射率n (refractive index)的周期性變化。
這個周期一般是微納米級別的，與可見光波長(~450-700nm)一個量級，才能對光線產生有效的操控。
衍射光柵的“分光”體現在兩個維度，如圖2中所示，假設入射光是單一波長的綠光，它會被衍射光柵分成若干個衍射級(diffraction order)，每一個衍射級沿著不同的方向繼續傳播下去，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，每一個衍射級對應的衍射角度(θm， m=±1, ±2, …)由光線的入射角(θ)和光柵的周期(Λ)決定，通過設計光柵的其他參數(材料折射率n、光柵形狀、厚度、占空比等)可以將某一衍射級(即某一方向)的衍射效率優化到最高，從而使大部分光在衍射后主要沿這一方向傳播。
這就起到了與傳統光學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構實現的，所以非常節省空間，自由度也比傳統光學器件大很多。
對于光波導而言，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的基礎上，衍射光柵的另一“分光”維度體現在色散，即對同一光柵周期來說，不同波長的衍射角度(θm)也不同。如圖2所示，假設入射光是白光，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)>藍光(B)，這一色散作用在反射衍射和透射衍射中都會體現出來。
這個現象是不是看上去有點熟悉？我想大家小時候都玩過棱鏡，太陽光(白光)通過它之后也會被分光成“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2(c)將衍射光柵的分光現象(包括多衍射級和色散作用)與棱鏡的分光色散做了直觀的對比，可以看到衍射光柵將光分成不同衍射級別的同時，每一個級別又都有色散現象，比分光棱鏡要復雜很多。
圖 2. (a) 表面浮雕光柵的部分衍射級和色散示意圖, (b) 全息體光柵的部分衍射級和色散示意圖， (c) 衍射光柵與分光棱鏡的對比示意圖。
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，在幾何光波導中利用“半透半反”鏡面陣列可以實現一維擴瞳，如果我們將這個概念轉移到衍射光波導里，如圖3(a)所示，可以簡單地用入射光柵來將光耦合入波導，然后用出射光柵代替鏡面陣列。即像蛇一樣在波導里面“游走”的全反射光線在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時候就有一部分光通過衍射釋放出來進入眼睛，剩下的一部分光繼續在波導中傳播直到下一次打到波導表面的光柵上，不難理解一維擴瞳即可以實現了。
但是人們并不滿足于在一個方向上(即沿雙眼瞳距的X方向)增大動眼框，既然光柵結構比傳統光學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方向上(即沿鼻梁的Y方向)也實現擴瞳呢，這樣不只可以使得AR眼鏡能夠接受更大范圍的瞳距，也可以對不同臉型、鼻梁高度的人群更有兼容性。
用衍射光柵實現二維擴瞳的概念十幾年前由位于芬蘭的Nokia研究中心的科學家Dr. Tapani Levola提出，并且給業內貢獻了許多有價值的論文，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照(license)，所以現在的Hololens I和Vuzix Blade用的都是類似的光柵結構和排布。如圖3(b)所示，另一個全息體光柵(VHG)的代表光學公司Digilens也是用類似的三區域光柵排布來實現二維擴瞳。可以看到當入射光柵(input grating)將光耦合入波導后，會進入一個轉折光柵(fold/turn grating)的區域，這個區域內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。
并且在這個轉向的過程中，由于全反射行進的光線會與轉折光柵相遇好幾次，每一次都將一部分光轉90度，另一部分光繼續橫向前進，這就實現了類似圖3(a)的在X方向的一維擴瞳，只不過擴瞳后的光并沒有耦合出波導，而是繼續沿Y方向前進進入第三個光柵區域 – 出射光柵 (output grating)。
出射光柵的結構與入射光柵類似，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，因為它承擔著在Y方向擴瞳的重任，過程與圖3(a)類似，只不過它接受的是多個光束而非一個。我們假設單瞳(pupil)的入射光在經過轉折光柵后擴展成M x 1個瞳(即一個X方向的一維陣列)，那么在經過出射光柵后就被擴展成了一個M x N的二維矩陣，其中N是光線在出射光柵區域全反射的次數即擴瞳的個數。
用轉折光柵實現二維擴瞳是一個比較直觀也是目前市面上主流產品如Hololens I, Vuzix Blade, Magic Leap One, Digilens等采取的方式，其中三個光柵區域的面積、形態、排布方式可以根據眼鏡的光學參數要求和外形設計來靈活調節。
另外一種實現二維擴瞳的方式是直接使用二維光柵，即光柵在至少兩個方向上都有周期，比較直觀來講就是單向“溝壑”變為柱狀陣列。來自英國的衍射光波導公司WaveOptics就是采用的這種結構，如圖3(c)所示，從入射光柵(區域1)耦合進波導的光直接進入區域3，這個區域的二維柱狀陣列可以同時將光線在X和Y兩個方向實現擴束，并且一邊傳播一邊將一部分光耦合出來進入人眼。
可想而知這個二維光柵的設計是非常復雜的，因為在兼顧多個傳播方向的耦合效率同時還要平衡每個出瞳的出光均勻性。
它的好處是只有兩個光柵區域，減少了光在傳播中的損耗，并且由于沒有了轉折光柵，出射光柵就可以在有限的玻璃鏡片上占據更大的面積，從而增大有效動眼框的范圍。
WaveOptics 40度FOV的模組動眼框可以達到19 x 15 mm，是目前市面上的同類產品中最大的。
圖 3. 衍射光波導中的擴瞳技術: (a) 一維擴瞳, (b) 利用轉折光柵實現的二維擴瞳， (c) 利用二維光柵實現的二維擴瞳。
衍射光波導技術與幾何光波導相比主要優勢在于光柵在設計和生產上的靈活性，不論是利用傳統半導體微納米制造生產工藝的表面浮雕光柵，還是利用全息干涉技術制成的體光柵，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中的玻璃切片和粘合工藝，可量產性和良率要高很多。
另外，利用轉折光柵或者二維光柵可以實現二維擴瞳，使得動眼框在鼻梁方向也能覆蓋更多不同臉型的人群，給人體工程學設計和優化用戶體驗留了更大的容差空間。由于衍射波導在Y方向上也實現了擴瞳，使得光機在Y方向的尺寸也比幾何光波導的光機減小了。
在幾何光波導中，需要在鏡面陣列中的每個鏡面上鍍不同R/T比的多層膜，來實現每個出瞳的出光均勻，需要非常繁冗的多步工藝。而對于衍射光柵來說，只需要改變光柵的設計參數例如占空比、光柵形狀等，將最終結構編輯到光刻機、電子束曝光機、或者全息干涉的掩膜(mask)里，便可一步“寫”到光柵薄膜上，來實現多個出瞳的出光均勻。
然而，衍射光波導技術也有它的不足，主要來源于衍射元件本身對于角度和顏色的高度選擇性，這在圖2中有所解釋。
首先需要在多個衍射級別的情況下優化某一個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3(a)中對稱的矩形光柵結構衍射到左邊的光并不會被收集傳播到眼睛里，相當于浪費了一半的光。因此一般需要采用如圖1(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到最高。這種傾斜的表面浮雕光柵在生產工藝上比傳統矩形光柵要求更高。
然后就是如何對付色散問題，如圖2中提到的，同一個衍射光柵對于不同的波長會對應不同的衍射角度。
由于來自光機的是紅綠藍(RGB)三色，每個顏色包含不同的波長波段。當它們通過入射光柵發生衍射后，如圖4(a)所示，假設我們優化的是+1級的衍射光即T+1, 對于不同的波長衍射角θ+1T就會不同，即R>G>B。
由于這個角度的不同，光每完成一次全反射所經歷的路程長度也會不同，紅色全反射的次數少于綠色，而藍色全反射次數最多。由于這個差異，圖4(a)中的光在最終遇到出射光柵時(請看指向眼鏡的箭頭)，藍色會被耦合出3次(即出瞳擴成3個)，綠色2次，紅色1次，這會導致眼睛移動到動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隨著入射角度的不同而浮動，這就導致在整個視場角(FOV)范圍內紅綠藍三色光的分布比例也會不同，即出現所謂的“彩虹效應”。
為了改善色散問題，可以如圖4(b)所示將紅綠藍三色分別耦合到三層波導里面，每一層的衍射光柵都只針對某一個顏色而優化，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。
但是由于RGB LED每個顏色內部也不是單一的波長，而是覆蓋了一小段波長段，仍然會有輕微的彩虹效應存在，這是衍射光柵的物理特性導致的，色彩均勻性問題只能通過設計不斷優化但不能完全消除。
最近問世的Hololens II 則將LED光源換成了光譜很窄的激光光源，會極大地減小彩虹效應。為了使得眼鏡片更輕薄，市面上大部分產品將紅綠色(RG)并入一層波導傳播。也有勇于探索的廠商使用一些新型光柵設計將RGB三色都并入一層波導，例如波導公司Dispelex，但目前全彩的demo只有30度左右FOV。
總結一下，衍射這個物理過程本身對于角度和波長的選擇性導致了色散問題的存在，主要表現為FOV和動眼框內的顏色不均勻即“彩虹效應”。光柵設計優化過程中，對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三色并且能實現最大的FOV是業內面臨的挑戰。
圖 4. 衍射光波導中的色散問題: (a) 單層光波導和光柵會引起出射光的“彩虹效應”, (b) 多層光波導和光柵提高了出射光的顏色均勻性。
目前表面浮雕光柵(SRG)占市場上衍射光波導AR眼鏡產品的大多數，得益于傳統光通信行業中設計和制造的技術積累。
它的設計門檻比傳統光學要高一些，主要在于衍射光柵由于結構進入微納米量級，需要用到物理光學的仿真工具，然后光進入波導后的光線追蹤(ray tracing)部分又需要和傳統的幾何光學仿真工具結合起來。
它的制造過程先是通過傳統半導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)，這個模具可以通過納米壓印技術(Nanoimprint Lithography)壓印出成千上萬個光柵。
納米壓印需要先在玻璃基底(即波導片)上均勻涂上一層有機樹脂(resin)，然后拿壓印模具蓋下來，過程很像“權力游戲”里古時候寄信時用的封蠟戳，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，而且也需要與波導玻璃類似的高折射率指數(index)。表面浮雕光柵已經被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等產品的問世證明了加工技術的高量產性，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格不菲，并且需要放置在專業的超凈間里，導致國內有條件建立該產線的廠商屈指可數。
在做全息體光柵(VHG)波導方案的廠家比較少，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計和制造的廠家。
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薄膜涂在玻璃基底上，然后通過兩個激光光束產生干涉條紋對薄膜進行曝光，明暗干涉條紋會引起材料不同的曝光特性，導致薄膜內出現了折射率差(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，能夠實現的Δn有限，導致它目前在FOV、光效率、清晰度等方面都還未達到與表面浮雕光柵同等的水平。但是由于它在設計壁壘、工藝難度和制造成本上都有一定優勢，業內對這個方向的探索從未停歇。
好了，說了這么多，讓我們比較下光波導的各個技術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了一個比較詳細的表格。
其中幾何光波導基于傳統光學的設計理念和制造工藝，并且實現了一維擴瞳。它的龍頭老大是以色列公司Lumus，目前demo了55度FOV，成像亮度和質量都非常好。但遺憾的是幾何光波導的制造工藝非常繁冗，導致最終的良率堪憂，由于市面上還沒有出現達到消費級別的AR眼鏡產品，它的可量產性還是一個未知數。
衍射光波導得益于微納米結構和“平面光學”的技術發展，能夠實現二維擴瞳。其中主流的表面浮雕光柵被多家明星公司使用并用消費級產品證明了它的可量產性，其中Hololens II達到了52度FOV。
另外一種全息體光柵也在平行發展中，如果能夠在材料上突破瓶頸以提升光學參數，未來量產也很有希望。我們認為，衍射光波導具體說表面浮雕光柵方案是目前AR眼鏡走向消費市場的不二之選。
但是由于衍射光柵設計門檻高和“彩虹效應”的存在，做出理想的AR眼鏡仍然任重道遠，需要業內各個產業鏈的共同努力。
雷鋒網
作者介紹：李琨，浙江大學光電系本科畢業，美國加州伯克利大學電子工程系博士畢業，主要研究方向包括光學成像系統、光電子器件、半導體激光器和納米技術等。現就職位于美國舊金山灣區的Rokid R-lab，擔任光學研究科學家和多個項目負責人。
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