AR眼鏡主流光學(xué)顯示方案——衍射光波導(dǎo)

衍射光波導(dǎo)是較為主流的AR眼鏡光學(xué)顯示方案，很多AR眼鏡采用的都是這種顯示方案，如：微軟的HoloLens 1和HoloLens 2、Magic Leap的Magic Leap 1和Magic Leap 2，以及OPPO最近上市的消費(fèi)級(jí)AR眼鏡OPPO Air Glass。

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為什么各大AR硬件廠商如此青睞衍射光波導(dǎo)？衍射光波導(dǎo)究竟是什么？

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今天小編就帶大家了解一下什么是衍射光波導(dǎo)。

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為了理解的更加透徹，我們可以將衍射光波導(dǎo)拆解成衍射和光波導(dǎo)兩部分來(lái)看。

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通常情況下，我們都知道光有三種傳播方式：直線(xiàn)傳播、反射和折射。比如紅外線(xiàn)瞄準(zhǔn)器、潛望鏡、筷子放入水中看上去像折斷一樣，就是基于這三種原理。而衍射，則是光的第四種傳播方式。

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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17世紀(jì)，意大利數(shù)學(xué)教授弗朗西斯科·格里馬第（Francesco Grimaldi）發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)造了“衍射“一詞，這個(gè)詞源于拉丁語(yǔ)詞匯diffringere，意為“成為碎片”，即波原來(lái)的傳播方向被“打碎”、彎散至不同的方向。

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實(shí)驗(yàn)中，他讓一束光穿過(guò)兩個(gè)小孔后照在暗室的屏幕上，發(fā)現(xiàn)投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。所以，衍射就是指波在傳播過(guò)程中，遇到障礙物或縫隙時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的物理現(xiàn)象。

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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由于只有障礙物的尺寸或縫隙的寬度，跟波長(zhǎng)相差不多或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。所以我們?cè)谌粘Ｉ钪泻茈y明顯見(jiàn)到光的衍射，但在一些特殊情況下，我們還是能夠看到。比如，北京上空曾出現(xiàn)的“七彩祥云”就是太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)云中的小水滴和小冰晶產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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衍射說(shuō)完了，那什么是光波導(dǎo)呢？

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在我們的世界中，廣泛存在著光波、聲波、電磁波等各種波。

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波導(dǎo)是將這些波從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方的裝置，所以顧名思義，光波導(dǎo)就是引導(dǎo)光波在其中傳播的介質(zhì)裝置。

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了解完衍射和光波導(dǎo)，也就明白了什么是衍射光波導(dǎo)，簡(jiǎn)單講就是基于光的衍射，引導(dǎo)光波傳播的介質(zhì)裝置。

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▲ 衍射光波導(dǎo)

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進(jìn)一步解釋?zhuān)?strong>衍射光波導(dǎo)就是利用光柵的衍射特性來(lái)設(shè)計(jì)“光路”，讓光在設(shè)計(jì)好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導(dǎo)入人眼。

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衍射光柵，這一具有周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件是衍射光波導(dǎo)最為核心的部分，所以根據(jù)光柵類(lèi)型的不同，又可以將衍射光波導(dǎo)分為兩類(lèi)：表面浮雕光柵波導(dǎo)和體全息光柵波導(dǎo)。

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表面浮雕光柵，是通過(guò)光刻與刻蝕等工藝在材料表面“雕刻“出高峰和低谷，以此實(shí)現(xiàn)能夠滿(mǎn)足所需光學(xué)性能的周期性結(jié)構(gòu)。

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▲ 表面浮雕光柵掃描電鏡照片

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表面浮雕光柵波導(dǎo)如果要將微投影系統(tǒng)（光機(jī)）發(fā)出的光導(dǎo)入人眼，必須經(jīng)過(guò)耦入和耦出的過(guò)程。即光機(jī)發(fā)出的光通過(guò)耦入光柵，進(jìn)入平板波導(dǎo)，并在其中進(jìn)行全反射傳播，最后再由耦出光柵將光傳遞到人眼。這里的耦入和耦出光柵，采用的就是表面浮雕光柵。

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由于納米級(jí)光柵的特征尺寸與光波長(zhǎng)相當(dāng)，這里已經(jīng)不能將光看成普通光線(xiàn)，而是要把光當(dāng)做一種電磁波。光在入射到光柵后會(huì)發(fā)生多級(jí)次的衍射。

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假如光機(jī)發(fā)出的是單色光（比如綠光），綠光在入射到耦入光柵后，會(huì)被分成若干不同方向的光（衍射級(jí)次），其中某一個(gè)非0衍射級(jí)次（比如+1級(jí)）會(huì)滿(mǎn)足平板波導(dǎo)的全反射條件，從而進(jìn)入到平板波導(dǎo)中進(jìn)行全反射傳播，這個(gè)衍射級(jí)次就是衍射光波導(dǎo)的工作級(jí)次。通過(guò)精確控制周期、占空比、槽深、側(cè)壁傾角等光柵參數(shù)，可以使絕大部分光能都集中到衍射光波導(dǎo)的工作級(jí)次上，也就是絕大部分光能都被耦入到衍射光波導(dǎo)中，這就是衍射光波導(dǎo)的耦入過(guò)程。

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與耦入過(guò)程相對(duì)應(yīng)，當(dāng)在衍射光波導(dǎo)中進(jìn)行全反射傳播的光遇到耦出光柵時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生若干衍射級(jí)次，其中某一個(gè)非0級(jí)次會(huì)沿特定方向離開(kāi)衍射光波導(dǎo)，進(jìn)而進(jìn)入人眼，這就是衍射光波導(dǎo)的耦出過(guò)程。

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▲?衍射級(jí)次示意圖

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假如光機(jī)發(fā)出的是彩色光，那么除了上述過(guò)程以外，還會(huì)伴隨其他復(fù)雜情況。由于不同顏色的光的波長(zhǎng)不同，其衍射效率也會(huì)有所不同。所以在傳播過(guò)程中，各色光的能量會(huì)有不同程度的損耗，進(jìn)而產(chǎn)生色散。而通過(guò)優(yōu)化各項(xiàng)光柵參數(shù)，光柵能夠?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)的光的能量進(jìn)行精確控制，進(jìn)而最大程度消除色散問(wèn)題，最終讓我們看到顏色正常的畫(huà)面。

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針對(duì)復(fù)雜的光柵衍射問(wèn)題，至格科技自主掌握針對(duì)不同類(lèi)型光柵的全套計(jì)算軟件。軟件算法來(lái)源于清華大學(xué)光柵與測(cè)量實(shí)驗(yàn)室20余年的技術(shù)積累，基于傅里葉模態(tài)法（FMM）能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算光柵的衍射問(wèn)題。

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而且同時(shí)擁有功能完備的光柵母版加工中心和完整的衍射光波導(dǎo)批量生產(chǎn)體系，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造的緊密配合。在做光柵設(shè)計(jì)的時(shí)候可以兼顧到母版加工和生產(chǎn)制造的工藝能力，遇到問(wèn)題能夠及時(shí)調(diào)整優(yōu)化，產(chǎn)品迭代速度非?？?。

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文章開(kāi)頭提到的備受各大AR硬件廠商青睞的衍射光波導(dǎo)，實(shí)際指的就是表面浮雕光柵波導(dǎo)。由于具有輕薄、視場(chǎng)角大、眼動(dòng)范圍大、量產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)，因此基于表面浮雕光柵的衍射光波導(dǎo)被普遍認(rèn)為是AR行業(yè)主流顯示技術(shù)路線(xiàn)。

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目前至格科技已具備C端客戶(hù)的量產(chǎn)交付經(jīng)驗(yàn)，可以為客戶(hù)提供從設(shè)計(jì)、制版到材料和工藝的一站式解決方案，以及快速、穩(wěn)定、可靠、低成本的衍射光波導(dǎo)量產(chǎn)交付方案。

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光在體全息光柵波導(dǎo)中的傳播過(guò)程與表面浮雕光柵波導(dǎo)基本相同。

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不同之處在于，體全息光柵不是通過(guò)“雕刻”，而是通過(guò)兩束相干光形成的明暗相間的干涉條紋來(lái)對(duì)基板上的光刻膠薄膜進(jìn)行曝光，進(jìn)而在分子層面形成具有折射率差的周期性空間分布。體全息光柵通常工作在布拉格衍射條件下。

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那么，什么是布拉格衍射條件呢？

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1912年，德國(guó)科學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)晶體衍射現(xiàn)象，開(kāi)創(chuàng)了X射線(xiàn)衍射物理學(xué)的研究。同年，勞倫斯·布拉格在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，最終得出這是一種波的衍射效應(yīng)。

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1913年，勞倫斯·布拉格和亨利·布拉格共同提出了X射線(xiàn)衍射的布拉格形式（即布拉格衍射）。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)亞原子粒子波進(jìn)入晶體時(shí)，如果粒子波的波長(zhǎng)與晶體中原子的間距相近，粒子波就會(huì)被晶體中的原子以鏡面形式散射出去，并會(huì)按照布拉格定律進(jìn)行相長(zhǎng)干涉，形成集中的波峰（布拉格尖峰）。而布拉格條件就是產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉所需要滿(mǎn)足的條件。

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▲?布拉格衍射示意圖

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看到這里可能感覺(jué)有點(diǎn)難懂，我們可以近似理解成是經(jīng)過(guò)散射后，多個(gè)光波在同一路徑上的混合疊加。就像老式手電筒通過(guò)反光罩將光線(xiàn)匯聚到同一方向，匯聚的地方就會(huì)變得更亮。（這里只是為了便于理解，原理與布拉格衍射并不相同）

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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基于布拉格衍射原理，當(dāng)光波滿(mǎn)足布拉格條件時(shí)，體全息光柵將會(huì)有極高的衍射效率。然而布拉格條件對(duì)于入射光的角度和波長(zhǎng)有著非常苛刻的要求，一旦無(wú)法滿(mǎn)足，衍射效率就會(huì)迅速下降。這就導(dǎo)致體全息光柵波導(dǎo)很難實(shí)現(xiàn)較好的彩色均勻性，無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

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目前，體全息光柵波導(dǎo)在顯示效果、產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)配套等方面，與表面浮雕光柵波導(dǎo)存在明顯差距。

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AR衍射光波導(dǎo)就是利用光柵的衍射特性來(lái)設(shè)計(jì)“光路”，讓光在設(shè)計(jì)好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導(dǎo)入人眼。基于衍射光柵類(lèi)型的不同，衍射光波導(dǎo)又可分為表面浮雕光柵波導(dǎo)和體全息光柵波導(dǎo)。

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表面浮雕光柵波導(dǎo)同時(shí)具有輕薄、視場(chǎng)角大、眼動(dòng)范圍大、量產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)，因此被普遍認(rèn)為是AR行業(yè)主流顯示技術(shù)路線(xiàn)。體全息光柵波導(dǎo)雖然有著極高的衍射效率，但受限于布拉格衍射條件，很難解決彩色均勻性問(wèn)題，并且技術(shù)方面仍處于起步階段，要想實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破還有很長(zhǎng)的路要走。

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隨著技術(shù)發(fā)展與工藝提升，基于表面浮雕光柵的AR衍射光波導(dǎo)已經(jīng)開(kāi)始邁進(jìn)消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。相信未來(lái)，將會(huì)為更多AR硬件廠商帶來(lái)極致的AR顯示效果。

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