揭秘光波導(dǎo)核心原理 了解AR眼鏡背后的挑戰(zhàn)

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AR眼鏡的必選光學(xué)方案，又因其價格高和技術(shù)門檻高讓人望而卻步。隨著主流AR設(shè)備微軟HoloLens2、Magic Leap One等對光波導(dǎo)技術(shù)的采用和設(shè)備量產(chǎn)，以及AR光學(xué)模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等近期融資消息的頻繁披露，導(dǎo)致光波導(dǎo)的討論熱度也持續(xù)增加了不少。

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眼鏡市場格局的？Rokid R-lab光學(xué)研究科學(xué)家、美國加州伯克利大學(xué)電子工程系博士李琨為您娓娓道來。

光波導(dǎo)

一個應(yīng)AR眼鏡需求而生的光學(xué)方案

增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)與虛擬現(xiàn)實(VR)是近年來廣受關(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。

不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統(tǒng)不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學(xué)組合器(optical combiner)，通過“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補(bǔ)充，互相“增強(qiáng)”。

(a) 虛擬現(xiàn)實(VR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖

(b) 增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖。

NED：近眼顯示(Near-eye display，簡稱NED)

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。概括來說，目前市場上的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。

微型顯示屏，用來為設(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)。

這里做了一張簡單的AR光學(xué)顯示系統(tǒng)的分類和產(chǎn)品舉例：

因為本文主要闡述光波導(dǎo)的工作原理和特點，對其它光學(xué)方案不做詳細(xì)介紹，關(guān)于幾種方案的區(qū)別，之前也有較多文章進(jìn)行了闡述。很顯然，完美的光學(xué)方案還沒有出現(xiàn)，才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態(tài)，這需要AR眼鏡的產(chǎn)品設(shè)計者依據(jù)應(yīng)用場景、產(chǎn)品定位等來做權(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)前景來說，都具備最好的發(fā)展?jié)摿?，可能會是讓AR眼鏡走向消費(fèi)級的不二之選。

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。

其實，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，用來傳輸信號的光纖組成了無數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導(dǎo)的一種，只不過傳輸?shù)氖俏覀兛床灰姷?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外波段的光。

在AR眼鏡中，要想光在傳輸?shù)倪^程中無損失無泄漏，“全反射”是關(guān)鍵，即光在波導(dǎo)中像只游蛇一樣通過來回反射前進(jìn)而并不會透射出來。簡單來說達(dá)到全反射需要滿足兩個條件：(1) 傳輸介質(zhì)即波導(dǎo)材料需要具備比周圍介質(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.

全反射原理示意圖

光機(jī)完成成像過程后，波導(dǎo)將光耦合進(jìn)自己的玻璃基底中，通過“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜?。這個過程中波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸圖像，一般情況下不對圖像本身做任何“功”(比如放大縮小等)，可以理解為“平行光進(jìn)，平行光出”，所以它是獨立于成像系統(tǒng)而存在的一個單獨元件。

光波導(dǎo)的這種特性，對于優(yōu)化頭戴的設(shè)計和美化外觀有很大優(yōu)勢。因為有了波導(dǎo)這個傳輸渠道，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。

這里將波導(dǎo)技術(shù)的主要優(yōu)點和不足羅列如下，希望讀者閱讀完本文后會對背后的緣由更加了解。

優(yōu)點

增大動眼框范圍從而適應(yīng)更多人群，改善機(jī)械容差，推動消費(fèi)級產(chǎn)品實現(xiàn) – 通過一維和二維擴(kuò)瞳技術(shù)增大動眼框。

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?/p>

外觀形態(tài)更像傳統(tǒng)眼鏡，利于設(shè)計迭代 – 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，每層提供一個虛像距離。

不足

光學(xué)效率相對較低 – 光在耦合進(jìn)出波導(dǎo)以及傳輸?shù)倪^程中都會有損失，并且大的動眼框使得單點輸出亮度降低。

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)計門檻較高。

基于波導(dǎo)的AR眼鏡外觀原理示意圖

光波導(dǎo)的不同分類

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別)，光通過在玻璃上下表面之間來回“全反射”前進(jìn)。

如果我們基于全反射的條件做一個計算，會發(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眼鏡最終的視場角(FOV)范圍。

簡而言之，越是大的視場角，就需要越高折射率的玻璃基底來實現(xiàn)。因此傳統(tǒng)玻璃制造商比如康寧(Corning)和肖特(Schott)，近年來都在為近眼顯示市場研制專門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。

有了高折射率玻璃基底，區(qū)別波導(dǎo)類型就主要在于光進(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)，其通過陣列反射鏡堆疊實現(xiàn)圖像的輸出和動眼框的擴(kuò)大，代表光學(xué)公司是以色列的Lumus，目前市場上還未出現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)眼鏡產(chǎn)品。

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，蘋果公司收購的Akonia公司采用的便是全息體光柵，另外致力于這個方向的還有Digilens。這個技術(shù)還在發(fā)展中，色彩表現(xiàn)比較好，但目前對FOV的限制也比較大。

這里還要區(qū)別一下真正的“全息技術(shù)”，其實這一直是個誤區(qū)，全息光柵只是因為利用了類似于全息照相的原理來制造的，即用兩束激光形成干涉條紋來調(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。

幾何光波導(dǎo)的工作原理及優(yōu)缺點

限于文章篇幅的原因，今天主要分析幾何波導(dǎo)的工作原理和優(yōu)缺點，下一篇再重點分析衍射波導(dǎo)。

光波導(dǎo)的種類: (a) 幾何式光波導(dǎo)和“半透半反”鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導(dǎo)和表面浮雕光柵的原理示意圖， (c) 衍射式光波導(dǎo)和全息體光柵的原理示意圖。

“幾何光波導(dǎo)”的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于優(yōu)化迭代，至今差不多快二十年了。按圖4(a)所示，耦合光進(jìn)入波導(dǎo)的一般是一個反射面或者棱鏡。在多輪全反射后光到達(dá)眼鏡前方時，會遇到一個“半透半反”鏡面陣列，這就是耦合光出波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)了，也就是幾何光波導(dǎo)里的“光組合器”。

“半透半反”(確切說是“部分透部分反”)的鏡面是嵌入到玻璃基底里面并且與傳輸光線形成一個特定角度的表面，每一個鏡面會將部分光線反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼，剩下的光線透射過去繼續(xù)在波導(dǎo)中前進(jìn)。然后這部分前進(jìn)的光又遇到另一個“半透半反”鏡面，從而重復(fù)上面的“反射-透射”過程，直到鏡面陣列里的最后一個鏡面將剩下的全部光反射出波導(dǎo)進(jìn)入人眼。

在傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中，圖像通常只有一個“出口”，叫做出瞳。這里的“半透半反”鏡面陣列相當(dāng)于將出瞳沿水平方向復(fù)制了多份，每一個出瞳都輸出相同的圖像，這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像，這就是一維擴(kuò)瞳技術(shù)(1D EPE)。

詳細(xì)說明，假設(shè)進(jìn)入波導(dǎo)“入瞳”的是直徑4毫米的光束，由于波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸而并不把圖像放大縮小等，那么“出瞳”的也是4毫米的光束，在這種情況下人眼的瞳孔中心只能在這4毫米的范圍內(nèi)移動并且仍能看到圖像。

這樣的問題是，不同性別和年齡的人雙眼瞳孔間距可能從51毫米到77毫米不等，如果近眼顯示系統(tǒng)的光學(xué)中心依據(jù)瞳距的平均值(63.5毫米)位置來設(shè)計，這就意味著有很大一部分人戴上這個眼鏡看不到清晰的圖像或完全接收不到圖像。

有了這個擴(kuò)瞳技術(shù)，動眼框范圍通常能從最初的4毫米左右擴(kuò)大到10毫米以上。你可能會產(chǎn)生疑問，多個出瞳，這樣眼睛不會看到重影么？放心吧，出瞳面只是圖像的“傅里葉面”，人眼瞳孔會從這個面截取完整的圖像信息并用自帶的“透鏡”晶狀體會將出瞳面透射到真正的“像面”（視網(wǎng)膜）上，因而同一角度的光還是會匯聚到同一個像素（視覺細(xì)胞），不會出現(xiàn)重影。

可能有點難理解，但這是擴(kuò)瞳技術(shù)可行的精髓。動眼框的擴(kuò)大解決了產(chǎn)品設(shè)計中的很多問題，例如機(jī)械設(shè)計容差、產(chǎn)品規(guī)格數(shù)目(需不需要分男版和女版)、用戶交互體驗等，將AR眼鏡向消費(fèi)級產(chǎn)品的實現(xiàn)大大推動了一步。

但是天下沒有免費(fèi)的晚餐，復(fù)制出瞳導(dǎo)致總的出光面積增大，自然而然在每一個出瞳的位置看到的通光量就減小了，這也是引起波導(dǎo)技術(shù)光效率比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)偏低的原因之一。

幾何光波導(dǎo)運(yùn)用傳統(tǒng)幾何光學(xué)設(shè)計理念、仿真軟件和制造流程，沒有牽扯到任何微納米級結(jié)構(gòu)。因此圖像質(zhì)量包括顏色和對比度可以達(dá)到很高的水準(zhǔn)。

但是，工藝流程比較繁冗，其中一步是“半透半反”鏡面陣列的鍍膜工藝。由于光在傳播過程中會越來越少，那么陣列中這五六個鏡面的每一個都需要不同的反射透射比(R/T)，以保證整個動眼框范圍內(nèi)的出光量是均勻的。

并且由于幾何波導(dǎo)傳播的光通常是偏振的(來源于LCOS微型顯示屏的工作原理)，導(dǎo)致每個鏡面的鍍膜層數(shù)可能達(dá)到十幾甚至幾十層。另外，這些鏡面是鍍膜后層層摞在一起并用特殊的膠水粘合，然后按照一個角度切割出波導(dǎo)的形狀，這個過程中鏡面之間的平行度和切割的角度都會影響到成像質(zhì)量。

因此，即使每一步工藝都可以達(dá)到高良率，這幾十步結(jié)合起來的總良率卻是一個挑戰(zhàn)。每一步工藝的失敗都可能導(dǎo)致成像出現(xiàn)瑕疵，常見的有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。

另外，雖然隨著工藝的優(yōu)化鏡面陣列已經(jīng)幾乎做到“不可見”，但在關(guān)掉光機(jī)的情況下仍然可以看到鏡片上的一排豎條紋(即鏡面陣列)，可能會遮擋一部分外部視線，也影響了AR眼鏡的美觀。

結(jié)語

關(guān)于幾何光波導(dǎo)的分析就暫到這里了，5月29-5月31日AWE期間，Rokid將發(fā)布全新一代MR眼鏡Rokid Vision，采用了衍射光波導(dǎo)方案，那么衍射式光波導(dǎo)如何優(yōu)于幾何式光波導(dǎo)，衍射光柵又分為哪幾種，我們?yōu)槭裁纯春眠@項技術(shù)？且聽下回分解。