光波導(dǎo)能否破局AR眼鏡“不可能三角”

隨著成像光學(xué)技術(shù)、設(shè)備工藝和微顯示技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)顯示器已經(jīng)成為熱門的研究方向，其可將虛擬信息集成和疊加在真實(shí)環(huán)境上，提升用戶對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的感知和交互體驗(yàn)的沉浸感。AR眼鏡被視為繼手機(jī)、PC之后的下一代主流AI終端。而AR眼鏡追求輕薄形態(tài)的趨勢(shì)，使光波導(dǎo)從棱鏡、自由曲面等技術(shù)方案中脫穎而出，成為AR光學(xué)顯示的主流方案。

圖源：Coherent官網(wǎng)

目前光波導(dǎo)方案主要分為幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)兩種。

幾何光波導(dǎo)

幾何光波導(dǎo)基于傳統(tǒng)的幾何光學(xué)，利用陣列式的半透半反鏡實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)內(nèi)光線的傳輸與耦出，因此幾何光波導(dǎo)也被稱為陣列光波導(dǎo)。光從微顯示器中射出，在耦入?yún)^(qū)域光線通過反射鏡進(jìn)入波導(dǎo)中，在波導(dǎo)內(nèi)以全內(nèi)反射的方式傳播，在耦出區(qū)域通過陣列分布的半透半反鏡進(jìn)行出瞳擴(kuò)展和耦出。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)幾何光波導(dǎo)的研究主要集中在消除多次反射形成的雜散光上。

幾何光波導(dǎo)原理圖

衍射光波導(dǎo)

衍射光波導(dǎo)主要有基于光刻技術(shù)的表面浮雕光柵波導(dǎo)和基于全息技術(shù)的全息光波導(dǎo)。表面浮雕光柵波導(dǎo)，即在波導(dǎo)表面通過納米壓印工藝引入亞波長(zhǎng)尺度的光柵結(jié)構(gòu)，使用亞波長(zhǎng)光柵取代幾何光波導(dǎo)中的半透半反鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)光線傳播方向的控制。基于成熟的納米壓印工藝，表面浮雕光柵的制備與復(fù)制較幾何光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)成本更低，良品率更高，因此被視為目前AR-HMD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴近眼顯示器）最切實(shí)可行的光學(xué)方案。

(a)矩形光柵；(b)傾斜光柵；(c)閃耀光柵和(d)模擬光柵

全息光波導(dǎo)，一般指使用體全息光柵（VHG）的光波導(dǎo)。與表面浮雕光柵使用納米壓印法或直接刻蝕法制備不同，體全息光柵主要采用雙光束激光全息曝光的方式，利用激光的特性在感光聚合物內(nèi)產(chǎn)生干涉以形成周期性的高低折射率結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是光柵調(diào)制深度可以做得很深，可以擁有較高的衍射效率和較好的色彩均勻度，并且對(duì)不同波長(zhǎng)的光線具有較高的選擇性，通過多層波導(dǎo)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)很低的色散，其缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，成本較高，同時(shí)良品率低。

全息光波導(dǎo)技術(shù)原理

隨著用戶對(duì)AR體驗(yàn)要求的不斷提高，現(xiàn)有衍射光波導(dǎo)技術(shù)的固有局限性日益凸顯。衍射光波導(dǎo)正面臨大視場(chǎng)、全彩化與輕量化難以兼顧的“不可能三角”技術(shù)瓶頸。

衍射光波導(dǎo)的視場(chǎng)角和色彩均勻性均受制于光柵的色散特性，其最大視場(chǎng)角受到材料折射率的物理上限約束。以玻璃基底為例，單片全彩顯示的視場(chǎng)角通常難以突破30°。在全彩化方面，紅、綠、藍(lán)三原色光在波導(dǎo)內(nèi)的耦合路徑不同，極易產(chǎn)生色偏與色散。目前業(yè)內(nèi)主流方案是采用雙層或三層獨(dú)立波導(dǎo)分別傳輸RGB光，以緩解色散問題并實(shí)現(xiàn)全彩顯示，但這無疑增加了系統(tǒng)厚度與重量，難以滿足AR設(shè)備輕量化與便攜化的要求。

超表面是一種由亞波長(zhǎng)尺寸人工結(jié)構(gòu)單元組成的二維平面器件，通過特殊的排布方式局部改變電磁場(chǎng)分布，完成光場(chǎng)的振幅、相位或偏振態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件或與衍射光學(xué)器件的光學(xué)功能，或?qū)崿F(xiàn)光波的異常反射與異常折射。超表面具備緊湊的體積與高自由度的光場(chǎng)調(diào)控能力，可以突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的物理限制，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角與全彩高分辨率顯示，滿足了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)輕量化、便攜性與高性能的需求。

超表面光波導(dǎo)在采用相同高折射率玻璃作為波導(dǎo)基底的前提下，不僅能夠維持器件的輕薄化形態(tài)，還能夠在單層結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)45°的視場(chǎng)角，并保持系統(tǒng)色彩均勻性。這一突破為下一代AR顯示技術(shù)在沉浸感與實(shí)用性之間取得平衡提供了新的技術(shù)路徑。當(dāng)前該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需解決超表面器件帶來的色散問題，在制備工藝上需提升光刻與納米壓印技術(shù)以解決加工難等問題。

超表面光波導(dǎo)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)如今，光波導(dǎo)在光學(xué)性能與制備工藝上有很大的突破，其中搭載幾何光波導(dǎo)與衍射光波導(dǎo)的AR產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)中，但距離光波導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離。超表面光波導(dǎo)憑借其超薄結(jié)構(gòu)、寬視場(chǎng)角與全彩一致性的突出優(yōu)勢(shì)，有望從根本上解決AR顯示的核心瓶頸，加速AR眼鏡向真正的“眼鏡化”與大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。

參考來源：

[1]王昊東：基于衍射光波導(dǎo)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[2]史曉剛等：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)綜述

[3]周亮等：全息光波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

[4]謝閱等：超表面光波導(dǎo)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)技術(shù)新范式

[5]中國(guó)光學(xué)、中國(guó)激光雜志社