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06-17
光波导因其轻薄、对外部光线高穿透的特性，被认为是消费级AR眼镜必备的光学解决方案其高昂的价格和较高的技术门槛让人望而却步。
随着微软HoloLens 2、Magic Leap One等主流AR设备采用光波导技术并量产设备，以及DigiLens、Nedega、灵犀微光等AR光模组厂商近期融资消息频频披露，光波导的讨论变得更加激烈。
也持续增加了很多。
那么，光波导是如何运作的呢？市场上各种阵列传感器、几何传感器、衍射传感器、全息传感器、多层传感器有什么区别？它如何一步步改变AR眼镜市场？ 1、光波导，因应AR眼镜需求而诞生的光学解决方案。
增强现实（AR）和虚拟现实（VR）是近年来引起广泛关注的技术领域。
他们的近眼显示系统都是利用显示器上的像素通过一系列光学成像元件形成远处的虚拟图像并将其投射到人眼中。
不同的是，AR眼镜需要透视才能同时看到真实的外部世界和虚拟信息，因此成像系统不能阻挡视线的前方。
这就需要再增加一个合光器或一组合光器，以“级联”的形式将虚拟信息和真实场景融合在一起，相辅相成，互相“增强”。
图1.(a)虚拟现实(VR)近眼显示系统示意图； (b) 增强现实（AR）近眼显示系统示意图。
NED：近眼显示器（NED） AR设备的光学显示系统通常由微显示器和光学组件组成。
综上所述，目前市场上的AR眼镜采用的显示系统是各种微显示器和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合。
光学组合器的差异是区分AR显示系统的关键部分。
。
用于为设备提供显示内容的微型显示器。
它可以是自发光的有源器件，例如像micro-OLED和现在流行的micro-LED这样的发光二极管面板，也可以是需要外部光源照明的液晶显示器（包括透射式液晶显示器和反射式液晶显示器） LCOS），还有基于微机电系统（MEMS）技术的数字微镜阵列（DMD，DLP的核心）和激光束扫描仪（LBS）。
这里简单介绍一下AR光学显示系统的分类和产品实例：由于本文主要讲解光波导的工作原理和特点，其他光学方案不再详细介绍。
关于几种解决方案的区别，之前已经有很多文章了。
解释道。
显然，完美的光学解决方案尚未出现，当前市场处于百家争鸣、百花齐放的状态。
这就需要AR眼镜的产品设计者根据应用场景、产品定位等进行权衡。
我们认为光波导的方案无论从光学效果、外观、量产前景等方面都具有最好的发展潜力，可能是最好的将AR眼镜带入消费者层面的选择。
2.光波导是如何工作的？在上述光学成像元件中，光波导技术是一款比较有特色的光学元件，是针对AR眼镜的需求而诞生的。
由于其厚度薄且外部光线穿透力高，因此被认为是消费级的。
AR眼镜必备的光学解决方案，并且随着两代微软Hololens产品和Magic Leap One等设备的采用和量产，关于光波导的讨论不断增加。
事实上，波导技术并不是什么新发明。
在我们熟悉的光通信系统中，用于传输信号的光纤形成了无数的海底光缆连接到大洋彼岸。
它们是一种波导，但传输的内容对我们来说是不可见的。
红外波段的光。
在AR眼镜中，如果要让光线无损耗、无泄漏地传输，“全反射”是关键，即光线在波导中像蛇一样通过来回反射向前移动，而不被传输。
简单地说，要实现全反射需要满足两个条件：（1）传输介质即波导材料需要比周围介质具有更高的折射率（n1>n2如图2所示）； (2)进入波导的光的入射角需要大于临界角θc。
图2.全反射原理示意图。
光学机器完成成像过程后，波导将光线耦合到自身的玻璃基板中，将光线传输到眼睛前方，然后通过“全反射”原理释放出来。
在这个过程中，波导只负责传输图像。
一般来说，它不会对图像本身做任何“工作”（例如放大或缩小等）。
可以理解为“平行光入，平行光出”，因此它独立于成像系统而存在。
单个组件。
光波导的这一特点对于优化头带设计、美化外观具有很大优势。
由于采用波导传输通道，显示屏和成像系统可以从眼镜上移至额头的顶部或侧面，大大减少了光学系统对外界视线的阻碍，使重量分布更加符合人体工学，从而改善设备的佩戴体验。
下面列出了波导技术的主要优点和缺点。
希望读者读完本文后能够更好地理解其背后的原因。
优点：增大眼动框架范围以容纳更多人，提高机械公差，推动消费级产品的实现——通过一维和二维扩瞳技术扩大眼动框架。
成像系统位于侧面，不会遮挡视线并改善重量分布——波导透镜就像光纤电缆一样将图像传输到人眼。
外观更像传统眼镜，便于设计迭代——波导形状一般是一块扁平且薄的玻璃片，其轮廓可以切割。
提供了“真实”三维图像的可能性——多层波导片可以堆叠在一起，每层提供虚像距离。
缺点：光学效率较低——光在波导耦合进出和传输过程中会有损失，大的动眼框降低了单点输出亮度。
几何波导：制造工艺繁琐，导致整体良率较低。
衍射波导：衍射色散导致图像中出现“彩虹”现象和光晕。
非传统几何光学，设计门槛高。
图 3. 波导式 AR 眼镜外观原理示意图 3. 光波导的不同分类 正如文章第二部分提到的，波导结构的基础是薄而透明的玻璃基板（一般厚度为几毫米或亚毫米级别），光线通过“全反射”在玻璃的上下表面之间来回前进。
如果我们根据全反射的条件进行计算，我们会发现波导中只能传输一部分角度的入射光，这决定了AR眼镜最终的视场角（FOV）范围。
简而言之，视角越大，需要越高的玻璃基板折射率才能实现。
因此，康宁、肖特等传统玻璃厂商近年来一直在为近眼显示市场开发特殊的高折射率、薄型玻璃基板，同时也在努力不断加大晶圆尺寸以减少波导产量。
单位成本。
对于高折射率玻璃基板，波导类型之间的主要区别在于进入和离开波导的光的耦合结构。
一般来说，波导可分为几何波导（Geometric Waveguide）和衍射波导（Diffractive Waveguide）两种。
几何波导就是所谓的阵列波导，通过阵列镜的堆叠实现图像的输出和眼动框架的扩展。
它代表一家光学公司。
他是来自以色列的Lumus。
目前，市场上还没有大规模量产的眼镜产品。
衍射技术主要包括利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导（Surface Relief Gating）和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导（Volumetric Holography Gating）。
HoloLens 2和Magic Leap One都属于前者，并且采用全息体光栅波导元件来代替浮雕光栅。
苹果收购的Akonia公司采用的是全息体光栅。
Digilens也在朝这个方向努力。
这项技术还在开发中，色彩表现比较好，但是目前对FOV的限制也比较大。
这里我们还需要区分一下真正的“全息技术”。
其实，这一直是一个误区。
全息光栅只是利用类似于全息术的原理制造，即利用两束激光形成干涉条纹来调制光栅材料的特性，形成“折射率周期”，光栅本身不具备全息成像的能力。
4、几何波导的工作原理、优缺点。
由于文章篇幅有限，今天我们主要分析几何波导的工作原理、优缺点，下一篇文章将重点分析衍射波导。
图4 光栅的类型：(a)几何光栅和“透反射”镜阵列原理示意图，(b)衍射光栅和表面浮雕光栅原理示意图，(c)衍射光栅和全息体光栅原理示意图。
“几何光波导”的概念最早由以色列公司Lumus提出，并进行了近二十年的优化和迭代。
如图 4(a) 所示，将光耦合到波导中的通常是反射面或棱镜。
当光线经过多轮全反射到达眼镜正面时，会遇到“半透半反”的镜面阵列。
这就是将光耦合出波导的结构，也就是几何系统中的“合光器”。
“半透半反”（准确的说是“部分透明、部分反射”）镜子是嵌入玻璃基板中并与透射光形成特定角度的表面。
每个镜子都会将部分光反射出波导并进入人眼。
剩余的光传输通过波导并在波导中继续前进。
然后这部分前进的光遇到另一个“半透明半反射”镜，从而重复上述“反射-透射”过程，直到镜阵列中的最后一个镜将所有剩余的光反射出波导并进入人眼。
。
在传统的光学成像系统中，图像通常只有一个“出口”，称为出瞳。
这里的“半透半反”镜阵列相当于在水平方向上多次复制出射光瞳。
每个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时就能看到图像。
这是一维膨胀。
瞳孔技术（1D EPE）。
详细来说，假设进入波导“入瞳”的光束是4毫米直径的光束，由于波导只负责传输，并不放大或缩小图像等，那么“出瞳”也是4毫米的光束。
在这种情况下，人眼的瞳孔中心只能在这4毫米的范围内移动，但仍能看到图像。
问题是，不同性别和年龄的人的瞳距可能会在51毫米到77毫米之间变化。
如果近眼显示系统的光学中心是根据平均瞳距（63.5毫米）来设计的，这意味着大量人在佩戴这些眼镜时无法看到清晰的图像或根本无法接收图像。
通过这种扩瞳技术，眼球运动范围通常可以从最初的约4毫米扩大到10毫米以上。
您可能有疑问。
有了多个出瞳，你的眼睛不会看到重影吗？不用担心，出射光瞳表面只是图像的“傅里叶表面”。
人眼瞳孔会从这个表面截取完整的图像信息，并利用自身的“透镜”镜片将出瞳面传输到真正的“像面”（视网膜上），因此来自同一角度的光线仍然会汇聚到相同的像素（视觉细胞），并且不会出现重影。
这可能有点难以理解，但这就是瞳孔扩张的本质。
动眼边框的扩展解决了产品设计中的诸多问题，如机械设计公差、产品规格数量（是否需要区分男女版本）、用户交互体验等，大大将AR眼镜变成了现实。
消费级产品。
更进了一步。
但天下没有免费的晚餐。
复制出射光瞳会导致总光出射面积增加，自然地，在每个出射光瞳位置看到的光量会减少。
这也是波导技术的光学效率低于传统光学系统的原因。
原因之一。
几何优化采用传统的几何光学设计理念、仿真软件和制造工艺，不涉及任何微纳结构。
因此，包括色彩和对比度在内的图像质量可以达到非常高的水平。
但工艺流程相对复杂，其中一步是“半透半反”镜阵列的镀膜工艺。
由于光在传播过程中会变得越来越少，阵列中的五六个镜子中的每一个都需要不同的反射透射比（R/T），以确保整个眼睛移动帧中发出的光量制服。
。
并且由于几何波导传播的光通常是偏振的（源自LCOS微显示器的工作原理），因此每个反射镜上的镀膜层数可能达到几十甚至几十层。
此外，这些镜子被逐层涂覆和堆叠并用特殊胶水粘合，然后以一定角度切割成波导的形状。
在此过程中，反射镜之间的平行度和切割角度都会影响成像质量。
因此，即使每个工艺步骤都能实现高良率，这几十个步骤加起来的总良率也是一个挑战。
该过程的每个步骤的失败都可能导致图像缺陷。
常见的有背景黑色条纹、光线亮度不均匀、重影等。
此外，虽然随着工艺的优化，镜面阵列已经变得几乎“隐形”，但当光机关闭时，会出现一排垂直条纹镜头上的（即镜面阵列）仍然可见，这可能遮挡了部分外部。
视力也会影响AR眼镜的美观度。
作者简介：李坤毕业于浙江大学光电系，获学士学位，美国加州大学伯克利分校电气工程系博士学位。
主要研究方向包括光学成像系统、光电器件、半导体激光器和纳米技术。
目前在美国旧金山湾区的 Rokid R-lab 工作，担任光学研究科学家和多个项目的负责人。
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