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| 本文作者： 李琨 | 2019-05-29 10:56 |
光波導，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案，又因其價格高和技術門檻高讓人望而卻步。隨著主流AR設備微軟HoloLens2、Magic Leap One等對光波導技術的采用和設備量產，以及AR光學模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等近期融資消息的頻繁披露，導致光波導的討論熱度也持續增加了不少。
那么，光波導的工作原理是怎樣的？市面上林林總總的陣列光波導、幾何光波導、衍射光波導、全息光波導、多層光波導又有什么不同？它又是如何一步步改變AR眼鏡市場格局的？
增強現實(AR)與虛擬現實(VR)是近年來廣受關注的科技領域，它們的近眼顯示系統都是將顯示器上的像素， 通過一系列光學成像元件形成遠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)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學組合器(optical combiner)，通過“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補充，互相“增強”。
圖 1. (a) 虛擬現實(VR)近眼顯示系統的示意圖; (b) 增強現實(AR)近眼顯示系統的示意圖。
NED：近眼顯示(Near-eye display，簡稱NED)
AR設備的光學顯示系統通常由微型顯示屏和光學元件組成。概括來說，目前市場上的AR眼鏡采用的顯示系統就是各種微型顯示屏和棱鏡、自由曲面、BirdBath、光波導等光學元件的組合，其中光學組合器的不同，是區分AR顯示系統的關鍵部分。
微型顯示屏，用來為設備提供顯示內容。它可以是自發光的有源器件，比如發光二極管面板像micro-OLED和現在很熱門的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)，還有基于微機電系統(MEMS)技術的數字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和激光束掃描儀(LBS)。
這里做了一張簡單的AR光學顯示系統的分類和產品舉例：
因為本文主要闡述光波導的工作原理和特點，對其它光學方案不做詳細介紹，關于幾種方案的區別，之前也有較多文章進行了闡述。很顯然，完美的光學方案還沒有出現，才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態，這需要AR眼鏡的產品設計者依據應用場景、產品定位等來做權衡取舍。我們認為，光波導方案從光學效果、外觀形態，和量產前景來說，都具備最好的發展潛力，可能會是讓AR眼鏡走向消費級的不二之選。
在上述光學成像元件中，光波導技術是應AR眼鏡需求而生的一個比較有特色的光學組件，因它的輕薄與外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案，而隨著微軟Hololens兩代產品以及Magic Leap One等設備對光波導的采用和量產，關于光波導的討論熱度也在持續增加。
其實，波導技術并不是什么新發明，我們熟悉的光通信系統中，用來傳輸信號的光纖組成了無數條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導的一種，只不過傳輸的是我們看不見的紅外波段的光。
在AR眼鏡中，要想光在傳輸的過程中無損失無泄漏，“全反射”是關鍵，即光在波導中像只游蛇一樣通過來回反射前進而并不會透射出來。簡單來說達到全反射需要滿足兩個條件：(1) 傳輸介質即波導材料需要具備比周圍介質高的折射率(如圖2所示n1> n2); (2) 光進入波導的入射角需要大于臨界角θc.
圖 2. 全反射原理示意圖
光機完成成像過程后，波導將光耦合進自己的玻璃基底中，通過“全反射”原理將光傳輸到眼睛前方再釋放出來。這個過程中波導只負責傳輸圖像，一般情況下不對圖像本身做任何“功”(比如放大縮小等)，可以理解為“平行光進，平行光出”，所以它是獨立于成像系統而存在的一個單獨元件。
光波導的這種特性，對于優化頭戴的設計和美化外觀有很大優勢。因為有了波導這個傳輸渠道，可以將顯示屏和成像系統遠離眼鏡移到額頭頂部或者側面，這極大降低了光學系統對外界視線的阻擋，并且使得重量分布更符合人體工程學，從而改善了設備的佩戴體驗。
這里將波導技術的主要優點和不足羅列如下，希望讀者閱讀完本文后會對背后的緣由更加了解。
增大動眼框范圍從而適應更多人群，改善機械容差，推動消費級產品實現 – 通過一維和二維擴瞳技術增大動眼框。
成像系統旁置，不阻擋視線并且改善配重分布 – 波導鏡片像光纜一樣將圖像傳輸到人眼。
外觀形態更像傳統眼鏡，利于設計迭代 – 波導形態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 – 多層波導片可以堆疊在一起，每層提供一個虛像距離。
光學效率相對較低 – 光在耦合進出波導以及傳輸的過程中都會有損失，并且大的動眼框使得單點輸出亮度降低。
幾何波導: 繁冗的制造工藝流程導致總體良率較低。
衍射波導: 衍射色散導致圖像有“彩虹”現象和光暈，非傳統幾何光學，設計門檻較高。
圖 3. 基于波導的AR眼鏡外觀原理示意圖
如文章第二部分所提，波導結構的基礎是輕薄透明的玻璃基底(一般厚度在幾毫米或亞毫米級別)，光通過在玻璃上下表面之間來回“全反射”前進。
如果我們基于全反射的條件做一個計算，會發現只有一部分角度的入射光能夠在波導中傳輸，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現。因此傳統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生產的單位成本。
有了高折射率玻璃基底，區別波導類型就主要在于光進出波導的耦合結構了。光波導總體上可以分為幾何光波導（Geometric Waveguide）和衍射光波導（Diffractive Waveguide）兩種，幾何光波導就是所謂的陣列光波導，其通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和動眼框的擴大，代表光學公司是以色列的Lumus，目前市場上還未出現大規模的量產眼鏡產品。
衍射光波導主要有利用光刻技術制造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技術制造的全息體光柵波導(Volumetric Holographic Grating)， HoloLens 2，Magic Leap One均屬于前者，全息體光柵光波導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，另外致力于這個方向的還有Digilens。這個技術還在發展中，色彩表現比較好，但目前對FOV的限制也比較大。
這里還要區別一下真正的“全息技術”，其實這一直是個誤區，全息光柵只是因為利用了類似于全息照相的原理來制造的，即用兩束激光形成干涉條紋來調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。
限于文章篇幅的原因，今天主要分析幾何波導的工作原理和優缺點，下一篇再重點分析衍射波導。
圖 4. 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。
“幾何光波導”的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于優化迭代，至今差不多快二十年了。按圖4(a)所示，耦合光進入波導的一般是一個反射面或者棱鏡。在多輪全反射后光到達眼鏡前方時，會遇到一個“半透半反”鏡面陣列，這就是耦合光出波導的結構了，也就是幾何光波導里的“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特定角度的表面，每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼，剩下的光線透射過去繼續在波導中前進。然后這部分前進的光又遇到另一個“半透半反”鏡面，從而重復上面的“反射-透射”過程，直到鏡面陣列里的最后一個鏡面將剩下的全部光反射出波導進入人眼。
在傳統光學成像系統中，圖像通常只有一個“出口”，叫做出瞳。這里的“半透半反”鏡面陣列相當于將出瞳沿水平方向復制了多份，每一個出瞳都輸出相同的圖像，這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像，這就是一維擴瞳技術(1D EPE)。
詳細說明，假設進入波導“入瞳”的是直徑4毫米的光束，由于波導只負責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毫米的范圍內移動并且仍能看到圖像。
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，如果近眼顯示系統的光學中心依據瞳距的平均值(63.5毫米)位置來設計，這就意味著有很大一部分人戴上這個眼鏡看不到清晰的圖像或完全接收不到圖像。
有了這個擴瞳技術，動眼框范圍通常能從最初的4毫米左右擴大到10毫米以上。你可能會產生疑問，多個出瞳，這樣眼睛不會看到重影么？放心吧，出瞳面只是圖像的“傅里葉面”，人眼瞳孔會從這個面截取完整的圖像信息并用自帶的“透鏡”晶狀體會將出瞳面透射到真正的“像面”（視網膜）上，因而同一角度的光還是會匯聚到同一個像素（視覺細胞），不會出現重影。
可能有點難理解，但這是擴瞳技術可行的精髓。動眼框的擴大解決了產品設計中的很多問題，例如機械設計容差、產品規格數目(需不需要分男版和女版)、用戶交互體驗等，將AR眼鏡向消費級產品的實現大大推動了一步。
但是天下沒有免費的晚餐，復制出瞳導致總的出光面積增大，自然而然在每一個出瞳的位置看到的通光量就減小了，這也是引起波導技術光效率比傳統光學系統偏低的原因之一。
幾何光波導運用傳統幾何光學設計理念、仿真軟件和制造流程，沒有牽扯到任何微納米級結構。因此圖像質量包括顏色和對比度可以達到很高的水準。
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越來越少，那么陣列中這五六個鏡面的每一個都需要不同的反射透射比(R/T)，以保證整個動眼框范圍內的出光量是均勻的。
并且由于幾何波導傳播的光通常是偏振的(來源于LCOS微型顯示屏的工作原理)，導致每個鏡面的鍍膜層數可能達到十幾甚至幾十層。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，然后按照一個角度切割出波導的形狀，這個過程中鏡面之間的平行度和切割的角度都會影響到成像質量。
因此，即使每一步工藝都可以達到高良率，這幾十步結合起來的總良率卻是一個挑戰。每一步工藝的失敗都可能導致成像出現瑕疵，常見的有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。
另外，雖然隨著工藝的優化鏡面陣列已經幾乎做到“不可見”，但在關掉光機的情況下仍然可以看到鏡片上的一排豎條紋(即鏡面陣列)，可能會遮擋一部分外部視線，也影響了AR眼鏡的美觀。
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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