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接上篇《浅谈AR眼镜显示解决方案的现在与未来》说到，波导光学方案包括几何阵列光波导、表面浮雕光栅衍射光波导（Surface Relief Grating, SRG）、体全息衍射光波导（Volume Hologram Grating, VHG）、偏振体全息光波导（Polarization Volume Grating, PVG）等，除几何阵列光波导的实现原理依赖于几何光学外，其他都是基于光栅的衍射原理来实现光束调控的。 当前，波导作为形态上最接近现有近视眼镜的显示器件，被新型显示行业广泛寄予厚望，如何在保持纤薄的“体态”下，为每一位体验者提供近乎完美的显示效果，是行业共同的命题。  1、几何阵列波导 几何阵列波导由阵列排布的反射或折射棱镜组成。 阵列波导的耦入区域将图像耦入进波导后，通过全内反射连续传输，当图像入射到部分反部分透射镜面时，一部分被反射进入人眼，一部分透射后继续传输，直至遇到下一个镜面被部分反射，部分透射继续传输，直至所有光全部反射进入人眼。 这种“反射-折射”的重复过程可以调整出瞳均匀性，且实现较大的动眼框范围。  图1 几何阵列波导的工作原理示意图 由于几何阵列波导基于传统的折反射光学原理，不存在衍射带来的色散问题，可以做到接近Birdbath的图像质量、颜色均匀度，光效可达10%以上，具有高分辨率、全彩显示、超薄、大视场角和大Eyebox等优点。 几何阵列波导的主要难点在于2D扩瞳波导的设计和实际量产工艺良率的控制。 在2021年之前，产业界只能制造出1D扩瞳阵列波导，这类1D阵列波导需要的光引擎体积较大，不适合AR设备的微型化。 随着制造工艺的发展，Lumus、理湃光晶、珑璟光电等国内外厂家先后攻克了2D阵列波导技术研发和工艺制备，实现了水平和垂直双向出瞳扩展，可显著降低光引擎的体积，同时能够进一步增大视场角至50°以上。 但2D阵列波导的量产工艺对光学加工精度和一致性要求更高，导致其成本也更高。 低成本、高量产良率的2D阵列波导是这些厂商共同努力的方向。  图2 理湃光晶的1D阵列波导(左) 2D阵列波导(右) 因几何阵列光波导的专利主要被Lumus为代表的国外公司牢牢把控，国内从事几何阵列光波导的生产厂家需获得专利授权或独立构建专利池来突破专利封锁。 目前国内主要有理湃光晶、珑璟光电和灵犀微光等为数不多的几家厂家可进行几何阵列波导的设计、研发、生产与销售。 理湃光晶的2D阵列波导型号为G3-E，搭配CS-LCoS光学引擎，该模组的视场角为40~70°，透光率超过80%，厚度小于1.5mm，实际图像显示效果如下图3所示。 从下图可以看出，阵列波导的图像质量远高于衍射波导。  图3 (a)衍射波导显示效果图； (b) 理湃光晶2D阵列波导显示效果图 衍射光波导系统由微型显示屏、投影准直系统和集成耦入/耦出光栅的平面波导元件组成。 如下图4所示，投影光学系统将微型显示屏发出的光准直为平行光后，经耦入区域耦入到波导中，以全内反射形式传播，经过多次全内反射后经耦出区域从波导中衍射出来，进入人眼。  图4 衍射光波导的工作原理示意图 根据耦入/耦出区域使用的光栅类型不同，衍射光波导可分为三种：表面浮雕光栅（SRG）、体全息光栅（VHG）和偏振体全息光栅（PVG）波导。 2、SRG衍射光波导 SRG波导的耦入和耦出区域都是表面浮雕光栅，光在耦入和耦出区域的传播角度取决于光栅方程，光栅的衍射效率通过严格耦合波分析（RCWA）来计算，通过优化光栅的周期、槽深、占空比和倾角等参数，可以实现特定级次的高衍射效率。 根据光栅维度的不同，SRG光波导又可分为1D SRG波导和2D SRG波导。 1D SRG波导的耦入和耦出区域的光栅只有在一个方向上具有周期性结构，在另一个方向上无限延伸。 2D SRG波导的耦入和耦出区域的光栅在两个方向上都具有不同的周期结构。 常见的1D光栅有矩形光栅、闪耀光栅、梯形光栅和倾斜光栅等，2D光栅有圆柱型光栅等。 目前，SRG光波导存在彩色均匀性、大视场角和能量利用率低三大技术难点。 难点1 彩色均匀性 由光栅方程可知，不同波长的光，其衍射角度是不同的，单片光栅很难耦入多色光，需要多片光栅，因此，为实现全彩色显示，SRG衍射波导的发展经历了从三层堆叠到双层，再到单层的过程。 HoloLens 1 采用的是三层波导堆叠实现全彩色显示，每层波导之间有空气间隙来保证不同层传输不同颜色的光。 这种波导的设计比较简单，但缺点是三层波导叠加导致波导厚度较厚、重量较重，且视场角只有34°。 HoloLens 2 采用双层蝶形波导堆叠的方式来实现全彩色显示，一层传输RG，另一层传输BG，视场角可达52°。 但该衍射波导的实际显示效果相比于2D阵列波导仍有一定差距，尤其是色散、图像均匀性等问题。 Dispelix一直致力于在单层波导片上实现全彩色显示，目前已有产品Selva实现了单片波导全彩色显示，视场角可达50°，厚度仅为0.8mm，重量约为8g。 在单层波导上实现全彩色、大视场角的波导设计是SRG波导的发展方向。  图5 SRG波导堆叠方式图 难点2 如何实现大视场角设计 衍射光波导的视场角取决于基底/光刻胶材料的折射率，折射率越高，全内反射角度越小，对应波导的视场角越大。 但基底/光刻胶材料的折射率有上限，一般可达2.0左右，因此单纯依赖选用高折射率的材料来增大视场角也是有局限的。 另一种可以增大视场角的方法是合理设计光栅的结构。 常规波导片实现30°视场角，一般由三个1D光栅组成即可；若将波导的视场角扩大到50°，可采用蝶形设计，在耦入区域采用2D光栅；若想要进一步扩大波导的视场角至50°以上，就需采用两个2D光栅的设计。  图6 不同视场角的SRG波导对应的光栅结构设计图 难点3 能量利用率低 人的瞳孔大约4mm左右，考虑到人眼球的转动、不同人群的脸型和瞳间距等特征，为保证人眼在合适的眼动框范围内都能观察到清晰的图像，AR眼镜的Eyebox通常需达到12mm×10mm以上。 因此，SRG光波导需在水平和垂直方向上实现出瞳扩展，这就需要光线在耦出区域进行多次衍射和全内反射传输，这会导致光损耗很高。 此外，由于受限于光刻、纳米压印等制备工艺的精度，很难制备出非常精准的微纳结构，其表面粗糙度也会导致光损耗，从而降低其衍射效率。 目前行业内SRG光波导的衍射效率只有不到1%。 与此同时，由于衍射元件会形成多级次的衍射，在光波导显示镜片“外侧”也会有其他级次的衍射能量，从而呈现出“外侧漏光”的现象，SRG波导的正面漏光可达40%左右，会造成一定程度的信息泄露，不利于隐私保护，对于这个问题，行业内暂无明确的解决方案。 3、VHG衍射光波导 VHG波导的耦入和耦出区域是体全息光栅，体全息光栅是通过双光束全息曝光技术，形成干涉条纹来获得折射率周期性变化的光栅结构。 VHG相比于SRG具有更高的衍射效率，理论上在满足布拉格条件时，VHG的衍射效率可达到100%，同时可减少正面漏光的现象，并且无需复杂的光刻或纳米压印等工艺流程，只需要自动化曝光即可，生产速度更快，量产成本更低。 但该技术目前存在的挑战有： （1）光敏材料的折射率调制度在10-2量级，很难进一步提高，且在可见光全光谱范围内的高灵敏响应材料的生产和供应不充足。 （2）全息波导曝光和生产过程对环境稳定性要求非常严格，湿度、温度和空气流动等都会影响波导的性能。 （3）VHG对角度和波长的强选择性导致响应带宽较低，对于实现大FOV的全彩色显示有技术难度，目前VHG在视场角、光效率、清晰度及色彩均匀性等方面尚未达到SRG波导的水平，仍需业内对该技术进行持续探索与研发。  图7 Sony的全彩VHG波导 (a)工作原理图；(b)产品示意图 DigiLens在自研体全息材料方面具有深厚的积累，采用其专有的光敏聚合物和PDLC材料，基于可切换布拉格光栅（SBG）的技术方案，推出了双层全彩体全息光波导。 该款波导由平行玻璃板作为电极，中间含有光聚合物和液晶材料，通过改变施加的电压来改变液晶分子的方向，从而实现折射率调制和衍射效率控制。 其Design v1产品如下图所示，视场角为50°，透明度超过80%，光效超过325nits/lm。  图8 DigiLens的全彩VHG波导： (a)工作原理图；(b)产品示意图；(c)实际显示效果图 4、PVG衍射光波导 PVG光波导的耦入/耦出区域是偏振体全息光栅。传统体全息光栅VHG利用的是各向同性介质，而偏振体全息光栅PVG的介质是各向异性的，并且呈现一种倾斜的3D螺旋结构，如下图9所示。 PVG在x方向和y方向上均具有周期性，周期分别记为Λx和Λy。 在x方向的周期是依靠对取向材料进行曝光得到的，取向材料上的取向图案与PB相位是一致的，其光轴沿x方向绕z轴旋转，与z轴的夹角（即方向角）记作α。α从0到Π的连续变化在x轴所对应的场地，即PVG介质的横向周期Λx。 在y方向的周期来自于液晶分子在y方向上的旋转，通过将手性材料添加到液晶材料中，液晶材料的光轴会在手性材料的作用下沿y轴方向绕z轴旋转，从而产生y方向的周期性旋转状态。 图9 PVG的倾斜螺旋结构示意图 PVG的优势在于： （1）可以产生体效应下的高效单级布拉格衍射，来保证波导系统的光学耦合效率和图像传输质量。 （2）响应带宽远大于传统VHG，可解决VHG存在的波导FOV较窄的痛点。 （3）PVG具有VHG所没有的Pancharatnam-Berry(PB)相位偏振响应特性。 这一特性既可以保证大FOV的波导对外界环境的高透过率，又可以增加一个新的设计维度，扩展波导耦合器件的优化空间和应用方式。 PVG技术比较前沿，目前广受学术界科研工作者的关注，产业界除了Meta、Microsoft等国际公司在该方向有专利布局和概念性产品推出外，国内主要有南京平行视界专注该方向的产品研究，其技术孵化源于东南大学显示技术研究中心张宇宁教授团队。 下图为该团队设计的PVG波导样品，采用双层方案，一层波导片传输BG，另一层波导片传输R，全彩色显示的视场角可达35°，衍射效率均超过80%。 图10 双层PVG波导 (a)结构示意图；(b)实际图像效果图 该产品目前仅处于原型样机阶段，能否通过小批试产，达到NPI（New Product Introduction，新产品导入）阶段，进行量产来实现产品化尚需验证。 5、全息光学元件方案 传统光学方案和波导光学方案无论采用怎样的结构形式，本质上仍是一个目镜系统，将显示屏输出的图像变成放大、拉远的虚像，再由人眼聚焦在视网膜上。 而全息光学元件方案是将人眼也视为系统的组成部分，基于Maxwell观察法的原理，采用LBS+HOE的设计来实现视网膜投影显示。 该方案也曾被行业众多公司认为是全天候消费级AR眼镜的最佳硬件解决方案，国际知名厂商如ST、OSRAM、Schott、Dispelix等牵头成立了激光扫描联盟LaSAR致力于共同推动该方案的产品研发与商业化。 如下图11所示为典型产品North Focal的示意图和其工作原理图。 图11 North Focals产品的图像效果图 和视网膜投影显示工作原理图 激光器发出的细光束经MEMS振镜扫描调试后，经HOE布拉格衍射后透过人眼的晶状体中心，在视网膜处成像。 该视网膜成像由于是激光束直接作用于视网膜，当激光束瞄准并直接穿过眼睛瞳孔时，用户才可观察到清晰的图像，这也导致AR眼镜的Eyebox很小。 当然针对这个问题，学术界也有许多解决方案，比如引入微透镜阵列或眼动追踪功能等，但整体技术方案都还不够成熟。 该方案中的核心器件是HOE，HOE是在感光材料通过物光和参考光的双光束干涉原理曝光制备生成的，记录在HOE中的体全息图可以实现导光和重定向功能，理论上其衍射效率可达到100%。（HOE更多原理介绍详见公众号前期文章《旧识新解！未来之光全息光学元件助力AR显示》） 目前单色的HOE制备工艺比较成熟，如杭州光粒在2021年新推出的基于树脂的单色全息智能泳镜产品，视场角在25°左右，透过率可达78%。 但彩色的HOE因存在颜色均匀性、RGB通道串扰、鬼像等问题，对光路设计和制备工艺要求较高，目前仍停留在实验室阶段，产业界尚未有成熟产品推出。 图12 AR中入眼介质方案概览 总结 目前，AR眼镜的显示解决方案呈现百家争鸣的态势，不同技术路线也各有优劣点，尚未有统一确定的技术路线可以满足全天候消费级AR眼镜的全部需求。 不同公司的着力点和战略目标不同，最终哪种解决方案会成为AR眼镜产品化的终极方案，获得市场的认可，还是相当值得期待的！ |
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