AR眼鏡的光學(xué)顯示方案

1、AR眼鏡中的光學(xué)顯示方案

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)即AR技術(shù)是在展示真實(shí)場(chǎng)景的同時(shí),通過圖像、視頻、3D模型等技術(shù)為用戶提供虛擬信息,實(shí)現(xiàn)將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界巧妙地相互融合,屬于下一個(gè)信息技術(shù)的引爆點(diǎn),據(jù)權(quán)威預(yù)測(cè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡將會(huì)取代手機(jī)成為下一代的協(xié)作計(jì)算平臺(tái)。以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡為代表的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在各個(gè)行業(yè)開始興起,尤其在安防和工業(yè)領(lǐng)域,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)體現(xiàn)了無與倫比的優(yōu)勢(shì),大大改進(jìn)了信息交互方式。目前比較成熟的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的光學(xué)顯示方案主要分為棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和波導(dǎo)(Lightguide)方案。

1.1 棱鏡方案

棱鏡方案以Google Glass為例,如圖1中所示,其光學(xué)顯示系統(tǒng)主要由投影儀和棱鏡組成。投影儀把圖像投射出來,然后棱鏡將圖像直接反射到人眼視網(wǎng)膜中,與現(xiàn)實(shí)圖像相疊加。由于系統(tǒng)處于人眼上方,需要將眼睛聚焦到右上方才能看到圖像信息,而且這一套系統(tǒng),存在一個(gè)視場(chǎng)角vs體積的天然矛盾。Google Glass系統(tǒng)視場(chǎng)角較小,僅有15度的視場(chǎng)角,但是光學(xué)鏡片卻有10mm的厚度,而且亮度也不足,圖像存在較大的畸變,所以產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后不久便被公司撤回。

1.2 Birdbath方案

Birdbath方案中的光學(xué)設(shè)計(jì)是把來自顯示源的光線投射至45度角的分光鏡上,分光鏡具有反射和透射值(R/T),允許光線以R的百分比進(jìn)行部分反射,而其余部分則以T值傳輸。同時(shí)具有R/T允許用戶同時(shí)看到現(xiàn)實(shí)世界的物理對(duì)象,以及由顯示器生成的數(shù)字影像。從分光鏡反射回來的光線彈到合成器上。合成器一般為一個(gè)凹面鏡,可以把光線重新導(dǎo)向眼睛。采用這種光學(xué)顯示方案的AR頭顯裝置主要有聯(lián)想Mirage AR頭顯(圖2(a))與ODG R8和R9(圖2(b))。其中ODG有50度的視場(chǎng)角,其厚度則超過20mm。

1.3自由曲面方案

自由曲面方案中一般采用有一定反射/透射(R/T)值的自由曲面反射鏡,自由曲面是一種有別于球面或者非球面的復(fù)雜非常規(guī)面形,即用來描述鏡頭表面面形的數(shù)學(xué)表達(dá)式相對(duì)比較復(fù)雜,往往不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。顯示器發(fā)出的光線直接射至凹面鏡/合成器,并且反射回眼內(nèi)。顯示源的理想位置居中,并與鏡面平行。從技術(shù)上講,理想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛,所以大多數(shù)設(shè)計(jì)都將顯示器移至“軸外”,設(shè)置在額頭上方。

凹面鏡上的離軸顯示器存在畸變,需要在軟件/顯示器端進(jìn)行修正。由于自由曲面不僅能為光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供更多的自由度,使系統(tǒng)的光學(xué)性能指標(biāo)得到顯著提高,而且為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更加靈活的結(jié)構(gòu)形式,因此成為近年來光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其中最具代表性公司有日本愛普生公司(如圖3所示)以及美國夢(mèng)境視覺公司的Meta系列(如圖4所示)。日本愛普生公司的AR眼鏡雖然在色彩、飽和度和成像質(zhì)量方面博彩,但是它僅有23度的視場(chǎng)角,而且有13mm的厚度。美國夢(mèng)境視覺公司的Meta2系列AR眼鏡雖然有90度的視場(chǎng)角,但是其厚度超過50mm,僅光機(jī)系統(tǒng)重量就約為420克。

由上所述可知,棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案這三種方案中都存在一個(gè)不可規(guī)避的矛盾,即視場(chǎng)角越大,光學(xué)鏡片就越厚,體積越大,也正是因?yàn)檫@一無可調(diào)和的矛盾限制了其在智能穿戴方面,即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡方面的應(yīng)用。

1.4 全息透鏡方案

全息透鏡方案使用全息鏡片獨(dú)一無二的光學(xué)特性,其原理是將一個(gè)全息準(zhǔn)直透鏡(Hd)和一個(gè)簡(jiǎn)單的線性光柵(Hg)記錄在同一個(gè)全息干板上,全息準(zhǔn)直透鏡將顯示源射出的光束準(zhǔn)直為平面波,并衍射進(jìn)基底以進(jìn)行全內(nèi)反射傳輸,同時(shí)線光柵將光束衍射輸出進(jìn)入人眼。這種系統(tǒng)將全息光學(xué)元件作為耦合元件,結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)降低了對(duì)全息光學(xué)元件設(shè)計(jì)和加工的難度,同時(shí)降低了全息透鏡的色散,而且具有大FOV和小體積的優(yōu)勢(shì),因而迅速被人們所接受。但是受限于眼動(dòng)范圍比較小,而且由于全息透鏡具有復(fù)雜的像差和嚴(yán)重的色散,因此用全息透鏡成像效果并不理想。目前采用全息透鏡方案的代表性廠家是North,如圖5中所示即為North公司的基于全息透鏡方案的AR眼鏡產(chǎn)品實(shí)物圖以及其成像光路示意圖。

1.5 光波導(dǎo)方案

光波導(dǎo)方案在清晰度、可視角度、體積等方面均具優(yōu)勢(shì),于是成為目前最佳的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中光學(xué)顯示方案,而且有望成為AR眼鏡的主流光學(xué)顯示解決方案?；诓▽?dǎo)技術(shù)的AR眼鏡,一般由顯示模組、波導(dǎo)和耦合器三部分組成。顯示模組發(fā)出的光線被入耦合器件耦入光波導(dǎo)中,在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式向前傳播,到達(dá)出耦合器件時(shí)被耦合出光波導(dǎo)后進(jìn)入人眼成像。由于用波導(dǎo)折疊了光路,一般系統(tǒng)體積相對(duì)較小。根據(jù)耦合器的原理,基于波導(dǎo)技術(shù)的AR眼鏡,所使用的光波導(dǎo)技術(shù)總體上可分為幾何波導(dǎo)方案和衍射光波導(dǎo)方案兩種。

幾何波導(dǎo)方案中一般包括鋸齒結(jié)構(gòu)波導(dǎo)和偏振薄膜陣列反射鏡波導(dǎo)(簡(jiǎn)稱偏振陣列波導(dǎo))。其中主流的偏振陣列波導(dǎo)是通過利用多個(gè)等間距平行放置且有一定分光比的半透半反膜層來實(shí)現(xiàn)圖像的輸出和出瞳擴(kuò)展,從而具有輕薄、較大的視場(chǎng)和眼動(dòng)范圍且色彩均勻的優(yōu)勢(shì)。衍射光波導(dǎo)方案主要有表面浮雕光柵波導(dǎo)方案和體全息光柵波導(dǎo)方案。浮雕光柵波導(dǎo)方案是采用納米壓印光刻技術(shù)制造,雖然具有大視場(chǎng)和大眼動(dòng)范圍的優(yōu)勢(shì),但是也會(huì)帶來視場(chǎng)均勻性和色彩均勻性的挑戰(zhàn),同時(shí)相關(guān)的微納加工工藝也是巨大的挑戰(zhàn),生產(chǎn)成本較高。體全息光柵波導(dǎo)方案在色彩均勻性(無彩虹效應(yīng))和實(shí)現(xiàn)單片全彩波導(dǎo)上均具有優(yōu)勢(shì),于是引起了AR光學(xué)模組生產(chǎn)產(chǎn)商的極大興趣。

圖6為波導(dǎo)方案的基本顯示原理,耦入?yún)^(qū)域用于將微投影光機(jī)的光束耦入到波導(dǎo)片中,使得光束滿足在波導(dǎo)片中全反射傳播的條件,耦出區(qū)域用于將全反射傳播的光束耦出波導(dǎo)片并傳到人眼。耦入?yún)^(qū)域可以是反射鏡、棱鏡、浮雕光柵和體全息光柵等。耦出區(qū)域可以是陣列排布的半透半反射鏡、浮雕光柵和體全息光柵等。本文將對(duì)幾何光波導(dǎo)技術(shù)中的偏振陣列波導(dǎo)方案以及衍射光波導(dǎo)技術(shù)中的表面浮雕光柵波導(dǎo)方案和體全息光柵波導(dǎo)方案進(jìn)行詳細(xì)說明,并對(duì)表面浮雕光柵和體全息光柵的制備、加工工藝做出闡述,同時(shí)進(jìn)一步地介紹谷東科技在該領(lǐng)域相關(guān)的研發(fā)情況。

圖6. 波導(dǎo)方案原理圖

2、偏振陣列波導(dǎo)

2.1 偏振陣列波導(dǎo)原理

偏振陣列波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)鏡片中通常采用有多個(gè)等間距平行放置且有一定分光比的半透半反膜層來實(shí)現(xiàn)圖像的輸出和出瞳擴(kuò)展,該半透半反膜層具有角度選擇性,且陣列排布。其工作原理示意圖如圖7中所示,圖像源發(fā)出的光線經(jīng)過目鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直后,由波導(dǎo)反射面耦合進(jìn)入波導(dǎo),各視場(chǎng)光線依據(jù)全反射定理在波導(dǎo)中傳播,光線入射到半透半反面上時(shí),一部分反射出波導(dǎo),另一部分透射繼續(xù)傳播。然后這部分前進(jìn)的光又遇到另一個(gè)鏡面,重復(fù)上述的“反射-透射”過程,直到鏡面陣列里的最后一個(gè)鏡面將剩下的全部光反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼。由于波導(dǎo)可以具有多個(gè)半透半反面,每一個(gè)半透半反面形成一個(gè)出瞳,因此可以在基板厚度很薄的情況下,進(jìn)行出瞳的擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和大眼動(dòng)范圍顯示。在經(jīng)過多次反射后,便能將出射的光“調(diào)整”得比較均勻。

圖7. 陣列光波導(dǎo)工作原理示意圖

這項(xiàng)技術(shù)的擴(kuò)瞳技術(shù),設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮雜散光,人眼兼容性,各項(xiàng)性能指標(biāo)。除此之外,均勻性也是最終用戶體驗(yàn)的直觀指標(biāo),如何控制多個(gè)膜層的反射和透過率,如何整機(jī)優(yōu)化,如何控制鍍膜工藝,才能保證整個(gè)眼動(dòng)范圍內(nèi)的均勻性,也是研究的重點(diǎn)。為此谷東科技自主研發(fā)設(shè)計(jì)基于偏振陣列波導(dǎo)技術(shù)的光學(xué)模組,并在多次不斷嘗試總結(jié)后,得到了具有劃時(shí)代意義的成果。

2.2 谷東科技-“七折疊、十二面體”超短焦AR光學(xué)模組M3010

近日,谷東科技發(fā)布了全新“七折疊、十二面體”超短焦AR光學(xué)模組M3010(如圖8),采用特殊選擇的材料和工藝搭配,成功消除了同行產(chǎn)品固有的雜像、條紋感、鬼像、畸變、色散等疑難問題,在成像清晰度、最高亮度、色彩均勻度、重量、體積、功耗、漏光等方面皆突破了現(xiàn)階段AR顯示技術(shù)的極限,各項(xiàng)指標(biāo)皆居于世界前列,真正集合了光波導(dǎo)模組極薄、極輕、極高的色彩還原等所有優(yōu)勢(shì),并將其性能發(fā)揮到極致。圖9中所示即為谷東科技公司近期推出的基于偏振陣列波導(dǎo)技術(shù)的光學(xué)模組M3010產(chǎn)品規(guī)格。

谷東科技的“七折疊、十二面體”超短焦光學(xué)模組M3010具有以下超強(qiáng)性能。1、小:基于晶體材料的各向異性特性實(shí)現(xiàn)了光學(xué)器件的復(fù)用,將原本在光波導(dǎo)內(nèi)朝一個(gè)方向傳播的光線折疊成7段,使投影光機(jī)單元體積縮小85%;2、輕:重量大約為33克;3、透:波導(dǎo)鏡片透光度超過普通建筑玻璃窗,可達(dá)85%以上;4、薄:折射畸變小于2mm;5、色:超高對(duì)比度、分辨度、色彩還原度與超全色域覆蓋率,M3010標(biāo)配LCOS作為像源,分辨率可達(dá)到1920*1080,提供接近人眼極限分辨能力的光學(xué)解析力,完全消除屏幕邊界感,畫質(zhì)清晰細(xì)膩,圖像反差銳利,不會(huì)有顆粒感。入眼最高亮度可達(dá)5000nit,色域覆蓋率超過100%RGB,達(dá)到專業(yè)顯示器水準(zhǔn),分毫畢現(xiàn)。

6、零走光:得益于谷東科技獨(dú)家研發(fā)的分光膜陣列波導(dǎo)片和光學(xué)結(jié)構(gòu),M3010模組在工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)漏光,更不會(huì)對(duì)外界暴露屏幕顯示的內(nèi)容,不論對(duì)隱蔽性要求極高的軍用頭盔還是消費(fèi)娛樂的AR眼鏡,該特性都至關(guān)重要;7、超視界:M3010采用top-down結(jié)構(gòu),水平視場(chǎng)完全無遮擋,整個(gè)視場(chǎng)盡收眼里,全視界,在提高用戶體驗(yàn)的同時(shí)還解決了用戶因佩戴眼鏡遮擋視線造成的安全隱患的問題;

8、低功耗:續(xù)航時(shí)間可達(dá)到10個(gè)小時(shí)左右;9、量產(chǎn)每年達(dá)10K片,量產(chǎn)良率和成本均達(dá)到世界一流水平;10、超嚴(yán)格的環(huán)境測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):面對(duì)極端高、低溫環(huán)境,以及高濕度和持續(xù)鹽霧侵襲,谷東科技的“七折疊、十二面體”超短焦AR光學(xué)模組M3010都能以遠(yuǎn)超行業(yè)平均水平的可靠性穩(wěn)定工作;11、全面接受定制:AR眼鏡“出圈”落地場(chǎng)景豐富,基于M3010的強(qiáng)大功能,各行各業(yè)的科技公司可在自己熟悉的領(lǐng)域定制廣泛的智能化AR產(chǎn)品。我們堅(jiān)信谷東科技的“七折疊、十二面體”超短焦光學(xué)模組M3010,必定能夠拉開下一代顯示技術(shù)革命的序幕,并為同樣對(duì)技術(shù)抱持工匠精神的企業(yè)提供更優(yōu)秀、更強(qiáng)大的AR產(chǎn)品以及優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

3、衍射光波導(dǎo)

3.1表面浮雕光柵波導(dǎo)

浮雕光柵波導(dǎo)方案即為使用浮雕光柵(SRG)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折反射光學(xué)器件(ROE)作為波導(dǎo)方案中耦入、耦出和出瞳擴(kuò)展器件,其工作原理示意圖如圖10中所示。

圖10. 衍射光波導(dǎo)和表面浮雕光柵的原理示意圖

常用的浮雕光柵主要有一維光柵,其中包括傾斜光柵、梯形光柵、閃耀光柵和矩形光柵結(jié)構(gòu)等,圖11(a)中所示為傾斜光柵的掃描電鏡(SEM)圖。二維光柵主要為波導(dǎo)中常用的六邊形分布的圓柱光柵結(jié)構(gòu),如圖11(b)中所示為二維圓柱光柵結(jié)構(gòu)的SEM圖。以上光柵結(jié)構(gòu)的特征尺寸均為納米級(jí)。目前浮雕光柵波導(dǎo)方案最具代表的產(chǎn)品為微軟的HoloLens系列12(a)以及WaveOptics公司的浮雕光柵波導(dǎo)系列產(chǎn)品12(b)。

圖11. (a)傾斜光柵結(jié)構(gòu)圖; (b)二維圓柱光柵結(jié)構(gòu)圖

圖12. (a) 微軟的HoloLens2; (b) WaveOptics公司的浮雕光柵波導(dǎo)

3.2體全息光柵波導(dǎo)

體全息光柵波導(dǎo)方案采用體全息光柵作為波導(dǎo)的耦入和耦出器件,體全息光柵是一種具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件,它一般通過雙光束全息曝光的方式,直接在微米級(jí)厚度感光聚合物薄膜內(nèi)部干涉形成明暗分布的干涉條紋,從而引起了材料內(nèi)部的折射率周期性變化。這個(gè)周期一般是納米級(jí)的光柵結(jié)構(gòu),與可見光波長為一個(gè)量級(jí),于是便可以對(duì)光線進(jìn)行有效調(diào)制,通過對(duì)入射光發(fā)生衍射作用,從而改變光的傳輸方向。將體全息光柵和波導(dǎo)片結(jié)合,通過設(shè)計(jì)體全息光柵的相關(guān)參數(shù)(如材料折射率n、折射率調(diào)制因子和厚度等)可以調(diào)整體全息光柵的衍射效率。

體全息光柵波導(dǎo)技術(shù)的工作原理示意圖如圖13中所示,由微顯示器產(chǎn)生的圖像經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后變?yōu)槠叫泄?平行光透過波導(dǎo)照射到入耦合端的全息光柵上,由于全息光柵的衍射效應(yīng)使平行光傳播方向改變,波導(dǎo)中的光線在滿足全反射條件時(shí),被限制在波導(dǎo)內(nèi)沿波導(dǎo)方向向前無損傳播。當(dāng)平行光傳播到出耦合端的全息光柵時(shí),全反射條件被破壞,光線再次發(fā)生衍射變?yōu)槠叫泄鈴牟▽?dǎo)中出射,進(jìn)入人眼成像。當(dāng)耦入的全息光柵與調(diào)制出射的全息光柵具有相同的周期結(jié)構(gòu),且鏡像對(duì)稱時(shí),可有效消除色散。

圖13. 體全息光柵波導(dǎo)技術(shù)工作原理示意圖

早期采用體全息光柵波導(dǎo)方案的代表性廠家為Sony和Digilens,隨著該技術(shù)的日漸成熟,目前參與全息光柵衍射波導(dǎo)光學(xué)研究的公司數(shù)量不斷增加,主要包括英國的TruLife和WaveOptics,以及美國的Akonia等。Sony出過一款高亮度的單綠色體全息光柵波導(dǎo),如圖14中所示,該結(jié)構(gòu)采用雙面體全息光柵作為入耦合端,達(dá)到了 85%的透射率,顯示亮度為 1000cd/m2。但因體全息光柵的厚度較小,該系統(tǒng)效率較低,此外,僅能用于單色顯示,現(xiàn)已停產(chǎn)。Digilens推出雙層全彩體全息光柵波導(dǎo),如圖15中所示,該結(jié)構(gòu)通過利用多個(gè)單色光柵實(shí)現(xiàn)彩色實(shí)現(xiàn),可有效減少系統(tǒng)顏色的串?dāng)_,但該系統(tǒng)的效率不高,且因其雙層波導(dǎo)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)制造難度更大。

圖14. Sony 公司雙面體光柵結(jié)構(gòu)全息波導(dǎo)。(a)產(chǎn)品實(shí)物;(b)成像光路。

圖15. Digilens全彩色體全息光柵波導(dǎo)。(a)產(chǎn)品實(shí)物;(b)成像光路。

谷東科技采用全息材料曝光方法做到將RGB三色合一到一片衍射波導(dǎo)上,利用相干記錄,衍射復(fù)現(xiàn)的原理將圖像傳到人眼顯示。主要有模擬設(shè)計(jì),材料,以及工藝制備這三個(gè)方面。模擬設(shè)計(jì)需要自行編寫復(fù)雜的計(jì)算模型;材料主要指HOE中的感光材料,對(duì)于全息光波導(dǎo),需要其制造前后的低收縮比,高效率以及高均勻性;工藝方面,更多是需要全息技術(shù)的制造光路以及曝光經(jīng)驗(yàn),它和使用的材料非常相關(guān)。圖16是谷東科技研發(fā)的單層全彩色體全息光柵波導(dǎo)相應(yīng)的顯示效果,視場(chǎng)角為30°。

圖16. 谷東科技研發(fā)的單層全彩色體全息光柵波導(dǎo)的顯示效果

4、衍射光波導(dǎo)的微納制造

4.1 表面浮雕光柵波導(dǎo)的微納制造

表面浮雕光柵從維度上可分為一維和二維光柵,而在結(jié)構(gòu)上可分為直光柵、閃耀光柵和傾斜光柵。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光波導(dǎo)用于可見光波段,為了實(shí)現(xiàn)較大的衍射效率和視場(chǎng)角,其特征尺寸一般在數(shù)百納米,甚至幾十納米,且其性能對(duì)誤差容忍度較小,所以對(duì)微納加工制備提出了很大的挑戰(zhàn)。目前的衍射光波導(dǎo)制備基本都是基于半導(dǎo)體制備工藝(如光刻、刻蝕工藝)完成。但是,由于這些方法受其復(fù)雜、昂貴的設(shè)備的限制,生產(chǎn)成本非常高,不適合光學(xué)模組的大批量制備。

圖17中所示即為表面浮雕光柵模板制備或小批量制備工藝流程圖,包括其掃描電鏡圖。對(duì)于直光柵,其工藝較為成熟,首先在基底上旋涂抗蝕劑層,通過干涉曝光或電子束曝光實(shí)現(xiàn)光柵的圖案化,之后利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP)將圖案轉(zhuǎn)移到基底,并將抗蝕劑層去除,完成直光柵的制備。由于均勻性問題導(dǎo)致以HoloLens為代表的斜光柵光波導(dǎo)無法直接采用反應(yīng)型刻蝕方案準(zhǔn)備,所以制備工藝較為復(fù)雜,需要采用聚焦離子束(focused ion beam etching,FIBE)、離子束刻蝕(ion beam etching,IBE)、反應(yīng)離子束刻蝕(reactive ion beam etching,RIBE)技術(shù)所制備。

綜合考慮到效率和均勻性,RIBE是其中較為合適的方案。首先,將基底上通過物理或化學(xué)方法鍍一層硬掩模(如Cr)層,之后旋涂一層抗蝕劑層。同樣利用干涉曝光或電子束曝光進(jìn)行圖案化,之后通過氯干刻蝕工藝將抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到Cr層。在刻蝕工藝之后,用氧等離子體法剝離剩余的抗蝕劑層。接下來使用基于氟基的RIBE工藝用電離的氬離子束以傾斜的角度入射基底。在反應(yīng)離子束刻蝕之后,通過標(biāo)準(zhǔn)的濕法刻蝕工藝去除Cr掩模,獲得具有出色均勻性的斜光柵。

圖17.表面浮雕光柵模板或小批量制備工藝流程

上述基于半導(dǎo)體工藝的制備成本昂貴,不適合光柵波導(dǎo)量產(chǎn)加工。因此,衍射光波導(dǎo)的復(fù)制工藝隨即被開發(fā)出來以便實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),而這種大規(guī)模的制造工藝依賴于高折射率的光學(xué)樹脂,目前Magic Leap和WaveOptics已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)工藝的驗(yàn)證。復(fù)制工藝包括熱壓法(hot embossing)、紫外線納米壓印光刻法(UV-nano imprint lithography)和微接觸壓印法(micro contact printing,亦被稱為軟光刻)。其中紫外線納米壓印光刻是表面浮雕光柵波導(dǎo)批量生產(chǎn)中的常用方法。

具體工藝流程如圖18所示,該工藝可分為兩個(gè)階段:納米壓印工作模具制備階段和批量生產(chǎn)階段。首先,通過上述模板制備工藝將圖案加工到硅晶圓上以用作模板,通過納米壓印技術(shù)在更大的硅晶片上旋涂UV樹脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外線對(duì)印刷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行曝光以固定樹脂。最后通過重復(fù)上述過程批量生產(chǎn)多圖案的壓印模具。在批量生產(chǎn)的過程中,使用多圖案的模具來生產(chǎn)表面浮雕光柵波導(dǎo),然后使用功能性涂層覆蓋波導(dǎo),并用激光切割技術(shù)分離,最后將不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)堆疊實(shí)現(xiàn)光學(xué)模組的制備。

圖18.表面浮雕光柵大批量復(fù)制量產(chǎn)工藝流程

4.2 體全息光柵波導(dǎo)的微納制造

體全息波導(dǎo)關(guān)鍵元件是體全息光柵,體全息光柵的制備正是利用了全息技術(shù)的特性,通過激光激發(fā)的兩個(gè)有一定夾角的平面光波相互干涉,并將干涉圖案曝光附著在基底上的光敏材料上形成干涉條紋來獲得的,材料特性根據(jù)光的強(qiáng)度分布而變化,最后獲得具有折射率周期性變化特性的材料。制備體全息波導(dǎo)的材料包括鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。

全息技術(shù)是一種利用光學(xué)相干原理來記錄和獲取物光波的振幅和相位信息的方法。其利用干涉記錄、衍射再現(xiàn)的原理,把具有振幅和相位信息的物光波與參考光波相干涉產(chǎn)生的干涉條紋以強(qiáng)度分布的形式記錄成全息圖,從而把物光波的全部振幅和相位信息記錄在感光材料上。全息是一種主動(dòng)式相干成像技術(shù),全息的記錄光路(如圖19(a)中所示)主要完成兩個(gè)方面的功能,一是完成被測(cè)物體的相干照明,通過物體的透射或反射形成物光波;二是利用參考光波與物光波發(fā)生干涉,形成全息圖。

其中,T0表示零級(jí)衍射光,對(duì)應(yīng)于參考光波的透射光波;T+1表示 +1級(jí)衍射光,攜帶了原始物光波的信息;T-1為 -1級(jí)衍射光,攜帶了物光波的共軛信息。在光學(xué)全息中, +1級(jí)衍射光能夠形成物體的虛像,可以用眼睛直接觀察,而 -1級(jí)衍射光能夠形成物體的實(shí)像,可以利用屏幕接收。

圖19. 光學(xué)全息的記錄與再現(xiàn)過程示意圖

理想全息光柵的衍射級(jí)次只有0級(jí)和±1級(jí),全息光波導(dǎo)顯示利用的是0級(jí)光在光波導(dǎo)內(nèi)不斷地全反射,而-1級(jí)光不斷地從波導(dǎo)表面出射。光柵衍射的幾何示意圖,如圖20中所示。

圖20. 全息光柵衍射幾何示意圖

由上述三式可以得出對(duì)于特定波長、波導(dǎo)介質(zhì)以及光線入射角度,滿足全反射條件的光柵周期應(yīng)滿足一定條件。

全息光柵按照其結(jié)構(gòu)可以分為透射型和反射型全息光柵,兩者根本區(qū)別在于記錄方式不同,即兩束記錄光的傳播方向不同,從而造成記錄材料內(nèi)部干涉條紋面的不同取向。透射型全息光柵在記錄時(shí),物光和參考光是從記錄介質(zhì)的同側(cè)進(jìn)行入射,而反射型全息光柵在記錄時(shí),物光和參考光則是從記錄介質(zhì)的兩側(cè)相向入射。

全息光柵根據(jù)記錄介質(zhì)的厚度與干涉條紋間距的相對(duì)厚度關(guān)系又可以分為面全息光柵和體全息光柵。面全息光柵與體全息光柵的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)用Q值來表征,當(dāng)Q≥10時(shí)為體全息光柵,反之為面全息光柵。

體全息光柵的微結(jié)構(gòu)在體光柵的內(nèi)部,所以其衍射主要是材料的體效應(yīng)。當(dāng)入射光滿足布拉格條件時(shí),體全息光柵會(huì)有極高的衍射效率,而如果偏離了布拉格條件,衍射效率則會(huì)迅速下降,這個(gè)特性使體全息光柵具有明顯的角度和波長選擇性。當(dāng)用做耦合器件時(shí),體全息光柵可以把波導(dǎo)中,具有特定波長和角度的光從波導(dǎo)中耦合出來,卻又不會(huì)遮擋外界真實(shí)場(chǎng)景的視野,因此是一種理想的耦合器件。

上述體全息光柵的制備過程僅適用于小批量驗(yàn)證,而對(duì)于大批量生產(chǎn),則需要開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)的方案,以Sony和DigiLens為代表的公司開發(fā)了體全息波導(dǎo)的加工工藝流程。如圖 21 中展示了制備體全息波導(dǎo)的卷對(duì)卷(roll-to-roll)工藝。首先,使用雙束干涉曝光法在附著在卷膠上的光敏聚合物膜內(nèi)形成體全息波導(dǎo);第二步,通過注射成型法形成高質(zhì)量的環(huán)烯烴聚合物塑料波導(dǎo)。為了獲得合格的圖像,波導(dǎo)的翹曲必須小于5um,并且有效區(qū)域的厚度變化應(yīng)小于1um。然后進(jìn)行全息光學(xué)元件的轉(zhuǎn)移工藝以將全息波導(dǎo)膜準(zhǔn)確地與塑料波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)粘貼;之后將塑料全息波導(dǎo)進(jìn)行切割;最后在配色過程中,將紅、藍(lán)塑料波導(dǎo)與綠色塑料波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)并用UV樹脂將其封裝固定。塑料基底在每次加工之前和之后都均應(yīng)保持平坦是沖壓和配色過程中都面臨的挑戰(zhàn)。

圖21. 卷對(duì)卷體全息波導(dǎo)制備工藝

5、展望

光學(xué)穿透式頭戴顯示(AR眼鏡)作為AR技術(shù)的主要硬件載體,近年來,受到了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,所以本文對(duì)當(dāng)前AR眼鏡的光學(xué)顯示方案,棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案以及光波導(dǎo)(Lightguide)方案都做了闡述。尤其是光波導(dǎo)方案作為現(xiàn)在AR眼鏡的主流光學(xué)顯示方案,文中采用了大量章節(jié)對(duì)幾何光波導(dǎo)方案中偏振陣列光波導(dǎo)方案,以及衍射光波導(dǎo)方案中的表面浮雕光柵波導(dǎo)方案和體全息光柵波導(dǎo)方案做了詳細(xì)介紹,并展示了谷東科技的部分相關(guān)樣品。

偏振陣列波導(dǎo)方案具有輕薄、大眼動(dòng)范圍和色彩均勻性好的優(yōu)點(diǎn),但是由于偏振陣列波導(dǎo)本身工藝的復(fù)雜,在設(shè)計(jì)和加工均有很高的技術(shù)壁壘,如分光膜陣列鍍膜工藝不夠完善,分光面表面平整性、精度要求高,難以降低成本等。谷東科技在此領(lǐng)域深耕多年,完全實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到加工的自主化,率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了偏振陣列波導(dǎo)的大規(guī)模量產(chǎn)。谷東科技從研發(fā)階段開始就將工藝進(jìn)行拆分細(xì)化,建立了一套保密可控的量產(chǎn)供應(yīng)鏈體系,年產(chǎn)能已達(dá)10K片,真正實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),也代表了偏振陣列波導(dǎo)技術(shù)新的發(fā)展里程碑。成熟的設(shè)計(jì)方案和大規(guī)模的量產(chǎn)能力使得偏振陣列波導(dǎo)方案在未來五年內(nèi)都將是AR領(lǐng)域的主流方案。比如谷東科技的“七折疊、十二面體” 超短焦AR光學(xué)模組M3010系列產(chǎn)品,采用谷東科技自主研發(fā)的工藝流程方法,通過長時(shí)間的工藝實(shí)驗(yàn)制定了嚴(yán)格制程管控和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),該光學(xué)模組的量產(chǎn)良率和成本均達(dá)到世界頂尖水平。

體全息光柵波導(dǎo)方案利用全息光柵來作為光線的耦入/耦出裝置,其將波導(dǎo)的全反射特性和全息光柵的衍射特性相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、大出瞳圖像輸出,從而被應(yīng)用于新一代頭盔顯示系統(tǒng)中,而且其具有整體質(zhì)量和體積更為緊湊的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的陣列光波導(dǎo)中采用幾何光學(xué)元件來作為光線的耦入/耦出裝置,全息光波導(dǎo)可有效降低顯示系統(tǒng)的厚度和重量。體全息光柵波導(dǎo)還具有色彩均勻性好和易于實(shí)現(xiàn)單片彩色波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì),此外,體全息光柵作為一種通過光學(xué)曝光得到的體全息光學(xué)元件,有著集成其他光學(xué)器件功能的可能性,比如可以將顯示模組中的準(zhǔn)直鏡集成進(jìn)來,使入耦合器同時(shí)具有耦合和準(zhǔn)直的功能。但是其采用全息干涉曝光的方法進(jìn)行波導(dǎo)片的加工,限制了其大規(guī)模的量產(chǎn)。

同時(shí),做大FOV需要疊加多層全息光柵,增加了工藝難度,做彩色波導(dǎo)片需要高密度的曝光材料,進(jìn)一步增加了工藝難度。雖然體全息光柵波導(dǎo)技術(shù)還面臨著各種難題,設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步成熟和量產(chǎn)良率的提升預(yù)計(jì)還需要一定的時(shí)間,但是谷東科技公司積極開展部署體全息光柵波導(dǎo)設(shè)計(jì)研發(fā)以及制備,在設(shè)計(jì)與加工方面推動(dòng)體全息光柵波導(dǎo)方案的發(fā)展。

綜上所述,偏振陣列波導(dǎo)方案和體全息光柵波導(dǎo)方案是目前兩個(gè)最有前景的主流AR方案,一個(gè)代表著現(xiàn)在,一個(gè)代表著未來。谷東科技率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振陣列波導(dǎo)的大規(guī)模量產(chǎn),同時(shí)積極部署體全息光柵波導(dǎo)方案,希望為AR事業(yè)的發(fā)展盡力發(fā)光。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：AR眼鏡的光學(xué)顯示原理和工藝分享

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