光波導(dǎo)，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認(rèn)為是消費級AR眼鏡的必選光學(xué)方案，又因其價格高和技術(shù)門檻高讓人望而卻步。
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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。
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一、光波導(dǎo)，一個應(yīng)AR眼鏡需求而生的光學(xué)方案
增強現(xiàn)實(AR)與虛擬現(xiàn)實(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)成像元件形成遠處的虛像并投射到人眼中。
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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(tǒng)不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學(xué)組合器(optical combiner)，通過“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補充，互相“增強”。
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一文看懂主流AR眼鏡的核心顯示技術(shù)——光波導(dǎo)
圖 1. (a) 虛擬現(xiàn)實(VR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖; (b) 增強現(xiàn)實(AR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖。NED：近眼顯示(Near-eye display，簡稱NED)
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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。
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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)。
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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：
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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Γ赡軙亲孉R眼鏡走向消費級的不二之選。
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)為是消費級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。
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其實，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)氖俏覀兛床灰姷募t外波段的光。
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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(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) 光進入波導(dǎo)的入射角需要大于臨界角θc。
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圖 2. 全反射原理示意圖
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光機完成成像過程后，波導(dǎo)將光耦合進自己的玻璃基底中，通過“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜怼?/section>
這個過程中波導(dǎo)只負責(zé)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(tǒng)而存在的一個單獨元件。
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光波導(dǎo)的這種特性，對于優(yōu)化頭戴的設(shè)計和美化外觀有很大優(yōu)勢。因為有了波導(dǎo)這個傳輸渠道，可以將顯示屏和成像系統(tǒng)遠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。
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這里將波導(dǎo)技術(shù)的主要優(yōu)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。
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優(yōu)點：
??增大動眼框范圍從而適應(yīng)更多人群，改善機械容差，推動消費級產(chǎn)品實現(xiàn) – 通過一維和二維擴瞳技術(shù)增大動眼框。
? 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?/section>
? 外觀形態(tài)更像傳統(tǒng)眼鏡，利于設(shè)計迭代 –? 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，每層提供一個虛像距離。
不足：
? 光學(xué)效率相對較低 – 光在耦合進出波導(dǎo)以及傳輸?shù)倪^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(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)計門檻較高。
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一文看懂主流AR眼鏡的核心顯示技術(shù)——光波導(dǎo)
圖 3. 基于波導(dǎo)的AR眼鏡外觀原理示意圖
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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別)，光通過在玻璃上下表面之間來回“全反射”前進。
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如果我們基于全反射的條件做一個計算，會發(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。
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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(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。
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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現(xiàn)圖像的輸出和動眼框的擴大，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。
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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，另外致力于這個方向的還有Digilens。這個技術(shù)還在發(fā)展中，色彩表現(xiàn)比較好，但目前對FOV的限制也比較大。
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這里還要區(qū)別一下真正的“全息技術(shù)”，其實這一直是個誤區(qū)，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(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。
總結(jié)
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讓我們比較下光波導(dǎo)的各個技術(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)了一個比較詳細的表格。
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一文看懂主流AR眼鏡的核心顯示技術(shù)——光波導(dǎo)
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其中幾何光波導(dǎo)基于傳統(tǒng)光學(xué)的設(shè)計理念和制造工藝，并且實現(xiàn)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(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)達到消費級別的AR眼鏡產(chǎn)品，它的可量產(chǎn)性還是一個未知數(shù)。
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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(chǎn)品證明了它的可量產(chǎn)性，其中HoloLens II達到了52度FOV。
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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眼鏡走向消費市場的不二之選。
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但是由于衍射光柵設(shè)計門檻高和“彩虹效應(yīng)”的存在，做出理想的AR眼鏡仍然任重道遠，需要業(yè)內(nèi)各個產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力。
文章來源：Rokid
作者：李琨

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作者 li, meiyong

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