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。
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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(chǎng)格局的？我們更看好哪一種光波導(dǎo)技術(shù)，為什么？
接下來(lái)，就讓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)。
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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。
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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(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)”。
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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(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(chēng)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(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。
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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)。
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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：
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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。
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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。
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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。
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圖 2. 全反射原理示意圖
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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。
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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)。
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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。
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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?/section>
? 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。
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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(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)。
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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。
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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(zhuān)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。
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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。
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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(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。
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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。
總結(jié)
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讓我們比較下光波導(dǎo)的各個(gè)技術(shù)方案來(lái)看看究竟花落誰(shuí)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。
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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(méi)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)。
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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(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。
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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(lái)量產(chǎn)也很有希望。我們認(rèn)為，衍射光波導(dǎo)具體說(shuō)表面浮雕光柵方案是目前AR眼鏡走向消費(fèi)市場(chǎng)的不二之選。
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但是由于衍射光柵設(shè)計(jì)門(mén)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。
文章來(lái)源：Rokid
作者：李琨

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作者 li, meiyong

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