表面浮雕光柵波導(dǎo)能夠成為AR眼鏡主流顯示技術(shù)路線的原因探究

回顧往期文章可以得知，衍射光波導(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。

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以上過(guò)程中最為核心的就是全反射傳播。那什么是全反射呢？

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全反射是指光從高折射率介質(zhì)射向低折射率介質(zhì)，并且入射角大于等于臨界角時(shí)發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象。即當(dāng)滿(mǎn)足全反射條件時(shí)，光會(huì)在平板波導(dǎo)中通過(guò)反射不斷向前傳播，并且不會(huì)透射出來(lái)，從而能夠改變光的傳播方向。我們所熟知的海市蜃樓就是一種由光的全反射形成的自然現(xiàn)象。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

通常AR眼鏡是由光機(jī)來(lái)輸出圖像，然而如果直接將光機(jī)放置到鏡片上，顯然會(huì)阻擋用戶(hù)視線，而且也不美觀。同時(shí)僅靠光機(jī)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的顯示效果。

基于全反射原理，衍射光波導(dǎo)可將光機(jī)投射出來(lái)的圖像進(jìn)行等比轉(zhuǎn)移，進(jìn)而可將光機(jī)放置到眼鏡的頂部或側(cè)部。這樣一來(lái)不僅不會(huì)遮擋用戶(hù)視線，而且由于衍射光波導(dǎo)的透光率高且十分輕薄，能夠使AR眼鏡在實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的顯示效果的基礎(chǔ)上，更加接近普通眼鏡的形態(tài)。

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值得一提的是，衍射光波導(dǎo)只負(fù)責(zé)將圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)移并傳至人眼，不會(huì)對(duì)圖像內(nèi)容本身造成影響，所以沒(méi)有放大或縮小圖像的功能。

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一般光學(xué)顯示方案不具備擴(kuò)瞳功能，只能讓人眼在與光機(jī)出口（出瞳）大小相同的范圍內(nèi)看到圖像（即眼動(dòng)范圍）。假如光機(jī)出瞳的尺寸是φ5mm，那么用戶(hù)就只能在φ5mm的眼動(dòng)范圍內(nèi)看到圖像。這就像通過(guò)貓眼（門(mén)鏡）看世界，極大地影響沉浸感和視覺(jué)體驗(yàn)。

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為了解決這一問(wèn)題，衍射光波導(dǎo)可以通過(guò)二維擴(kuò)瞳將出瞳擴(kuò)大，在確保體積小、視場(chǎng)角大的前提下，雙向增加眼動(dòng)范圍，進(jìn)而獲得極強(qiáng)的沉浸感和良好的視覺(jué)體驗(yàn)，同時(shí)還可以適配不同人的瞳距，這就是衍射光波導(dǎo)的第二個(gè)核心功能。

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通常有兩種方案能夠?qū)崿F(xiàn)二維擴(kuò)瞳，第一種是采用3塊一維光柵（即耦入光柵、轉(zhuǎn)折光柵、耦出光柵），第二種是采用1塊一維光柵（耦入光柵）和1塊二維光柵（耦出光柵）。

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第一種方案，首先通過(guò)耦入光柵將光機(jī)發(fā)出的光耦入到光波導(dǎo)中，然后經(jīng)過(guò)全反射入射到轉(zhuǎn)折光柵上，此時(shí)一部分光會(huì)被轉(zhuǎn)折到耦出光柵，剩下的光將繼續(xù)通過(guò)反射向前傳播，然后再次入射到轉(zhuǎn)折光柵上，此時(shí)又會(huì)有一部分光被轉(zhuǎn)折到耦出光柵，重復(fù)此過(guò)程便實(shí)現(xiàn)了一維擴(kuò)瞳。

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最后，傳到耦出光柵上的光，一部分會(huì)通過(guò)衍射傳入人眼，剩下的光將繼續(xù)通過(guò)反射向前傳播，然后再次入射到耦出光柵上，此時(shí)又會(huì)有一部分光被傳入人眼，重復(fù)此過(guò)程便實(shí)現(xiàn)了另一方向的一維擴(kuò)瞳。這兩次一維擴(kuò)瞳合在一起便構(gòu)成了二維擴(kuò)瞳。

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第二種方案，同樣先通過(guò)耦入光柵將光機(jī)發(fā)出的光耦入到光波導(dǎo)中，然后經(jīng)過(guò)全反射入射到二維耦出光柵上，此時(shí)一部分光會(huì)通過(guò)衍射傳入人眼，剩下的光將會(huì)被分成橫縱雙向通過(guò)反射繼續(xù)向前傳播，然后再次入射到耦出光柵上，此時(shí)又會(huì)有一部分光被傳入人眼，重復(fù)此過(guò)程便實(shí)現(xiàn)了二維擴(kuò)瞳。

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以上便是兩種二維擴(kuò)瞳方案的物理過(guò)程。相比之下，第一種方案，從衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)到制備都相對(duì)簡(jiǎn)單，但整體上更占鏡片面積。第二種方案，由于需要采用設(shè)計(jì)和制備難度都更高的二維光柵，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)更難，但整體架構(gòu)更為緊湊，能夠節(jié)省鏡片面積。

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通過(guò)二維擴(kuò)瞳，不僅可以增大眼動(dòng)范圍，提升用戶(hù)的沉浸感，同時(shí)也能進(jìn)一步縮減光機(jī)的重量和橫縱雙向的尺寸，進(jìn)而使AR眼鏡更加輕薄、更具適配性。

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值得注意的是，雖然二維擴(kuò)瞳將圖像復(fù)制了很多份，但我們實(shí)際只會(huì)看到一個(gè)像，而非多個(gè)像。因?yàn)轳畛龉鈻艂鞒龅膱D像并不是實(shí)像，而是虛像。同時(shí)由于人的大腦會(huì)欺騙自己，總是會(huì)根據(jù)人眼所看到的光束的反向延長(zhǎng)線去找這個(gè)像。而擴(kuò)瞳產(chǎn)生的光束實(shí)際對(duì)應(yīng)的是同一虛像的不同角度的信息，所以無(wú)論人眼看到多少個(gè)不同位置的擴(kuò)瞳光束，都會(huì)根據(jù)它的反向延長(zhǎng)線追溯到同一個(gè)像。

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舉個(gè)例子，就像我們通過(guò)平面鏡看蠟燭，蠟燭的光線經(jīng)過(guò)鏡面反射進(jìn)入人眼，人眼就會(huì)根據(jù)光線的反向延長(zhǎng)線去找這個(gè)虛像。下圖中的3條光線，就可以近似理解成衍射光波導(dǎo)中3個(gè)不同位置的擴(kuò)瞳光束，由圖可見(jiàn)，當(dāng)我們同時(shí)看到這3條光束時(shí)，實(shí)際指向的都是同一個(gè)像。

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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另外，很多人一直對(duì)衍射光波導(dǎo)都有一個(gè)誤解，就是能效低。實(shí)際上，這是因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳的過(guò)程中，衍射光波導(dǎo)需要將光能分割成很多份并且平均地分配到每個(gè)出瞳位置上，所以單位面積上的能量自然就少了。但如果將衍射光波導(dǎo)上的所有光線全都收集到人眼中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)衍射光波導(dǎo)的能效其實(shí)并不低。

所以說(shuō)，衍射光波導(dǎo)能效不高的主要原因就是擴(kuò)瞳。然而擴(kuò)瞳是衍射光波導(dǎo)的一大功能，上面介紹了它有很多好處，因此我們需要在保持一定擴(kuò)瞳倍率的基礎(chǔ)上盡量提高能效。

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▲?衍射級(jí)次示意圖

一方面，衍射光波導(dǎo)主要有兩大核心功能：圖像等比轉(zhuǎn)移和二維擴(kuò)瞳。基于此，能夠使AR眼鏡在極具輕薄、大視場(chǎng)角的前提下，適配更多人群，并帶來(lái)極強(qiáng)的沉浸感和良好的視覺(jué)體驗(yàn)。并且結(jié)合半導(dǎo)體工藝，使得衍射光波導(dǎo)更具量產(chǎn)性，從而為AR眼鏡走向C端市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

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另一方面，衍射光波導(dǎo)作為AR眼鏡的主流顯示技術(shù)路線，在前景廣闊的同時(shí)也極具復(fù)雜性。需要從衍射級(jí)次、入射角度、波長(zhǎng)等多個(gè)角度進(jìn)行衍射效率的優(yōu)化。

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針對(duì)以上光柵衍射問(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以及完整的衍射光波導(dǎo)生產(chǎn)線和批量生產(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?？臁?/span>

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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。

隨著技術(shù)不斷發(fā)展與性能進(jìn)一步優(yōu)化，AR衍射光波導(dǎo)將會(huì)助力AR眼鏡走入千家萬(wàn)戶(hù)，在元宇宙時(shí)代大放異彩。