光波導(dǎo)核心原理以及AR眼鏡背后的挑戰(zhàn)

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(mén)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(chǎng)格局的？

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)。

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(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，簡(jiǎn)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(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(mén)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(lèi)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(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?，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(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?chē)橘|(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(mén)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(lèi)

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(mén)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(lèi)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(píng)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?lèi)似于全息照相的原理來(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。

四幾何光波導(dǎo)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

限于文章篇幅的原因，今天主要分析幾何波導(dǎo)的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，下一篇再重點(diǎn)分析衍射波導(dǎo)。

圖 4. 光波導(dǎo)的種類(lèi): (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。

“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。

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。