一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术——光波导

光波导，因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。

 

那么，光波导的工作原理是怎样的？市面上林林总总的阵列光波导、几何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么不同？它又是如何一步步改变AR眼镜市场格局的？我们更看好哪一种光波导技术，为什么？

接下来，就让Rokid R-lab光学研究科学家、美国加州伯克利大学电子工程系博士李琨为你娓娓道来。

 

一、光波导，一个应AR眼镜需求而生的光学方案

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域，它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素， 通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。

 

不同之处在于，AR眼镜需要透视(see-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(optical combiner)，通过“层叠”的形式， 将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充，互相“增强”。

 

 

图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼显示系统的示意图; (b) 增强现实(AR)近眼显示系统的示意图。NED：近眼显示(Near-eye display，简称NED)

 

AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。

 

微型显示屏，用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。

 

这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产品举例：

 

 

 

很显然，完美的光学方案还没有出现，才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的状态，这需要AR眼镜的产品设计者依据应用场景、产品定位等来做权衡取舍。

我们认为，光波导方案从光学效果、外观形态，和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。

二、光波导是如何工作的

在上述光学成像元件中，光波导技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件，因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产，关于光波导的讨论热度也在持续增加。

 

其实，波导技术并不是什么新发明，我们熟悉的光通信系统中，用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，就是波导的一种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。

 

在AR眼镜中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。

简单来说达到全反射需要满足两个条件：

(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1> n2); 

(2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc。

 

图 2. 全反射原理示意图

 

光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。

这个过程中波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。

 

光波导的这种特性，对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。因为有了波导这个传输渠道，可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面，这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而改善了设备的佩戴体验。

 

这里将波导技术的主要优点和不足罗列如下，希望读者阅读完本文后会对背后的缘由更加了解。

 

优点：

• 增大动眼框范围从而适应更多人群，改善机械容差，推动消费级产品实现 – 通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框。

• 成像系统旁置，不阻挡视线并且改善配重分布 –  波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。

• 外观形态更像传统眼镜，利于设计迭代 –  波导形态一般是平整轻薄的玻璃片，其轮廓可以切割。

• 提供了“真”三维图像的可能性 – 多层波导片可以堆叠在一起，每层提供一个虚像距离。

不足：

• 光学效率相对较低 – 光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失，并且大的动眼框使得单点输出亮度降低。

• 几何波导: 繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。

• 衍射波导: 衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕，非传统几何光学，设计门槛较高。

 

图 3. 基于波导的AR眼镜外观原理示意图

 

三、光波导的不同分类

如文章第二部分所提，波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别)，光通过在玻璃上下表面之间来回“全反射”前进。

 

如果我们基于全反射的条件做一个计算，会发现只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了AR眼镜最终的视场角(FOV)范围。

 

简而言之，越是大的视场角，就需要越高折射率的玻璃基底来实现。因此传统玻璃制造商比如康宁(Corning)和肖特(Schott)，近年来都在为近眼显示市场研制专门的高折射率并且轻薄的玻璃基底，还在努力不断增大晶元尺寸以降低波导生产的单位成本。

 

有了高折射率玻璃基底，区别波导类型就主要在于光进出波导的耦合结构了。

光波导总体上可以分为几何光波导（Geometric Waveguide）和衍射光波导（Diffractive Waveguide）两种

几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus，目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。

 

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating)， HoloLens 2，Magic Leap One均属于前者，全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限制也比较大。

 

这里还要区别一下真正的“全息技术”，其实这一直是个误区，全息光栅只是因为利用了类似于全息照相的原理来制造的，即用两束激光形成干涉条纹来调制光栅材料的特性以形成“折射率周期”，光栅本身并不能够全息成像。

总结

 

让我们比较下光波导的各个技术方案来看看究竟花落谁家，为了方便大家横向比较我们总结了一个比较详细的表格。

 

 

其中几何光波导基于传统光学的设计理念和制造工艺，并且实现了一维扩瞳。它的龙头老大是以色列公司Lumus，目前demo了55度FOV，成像亮度和质量都非常好。

但遗憾的是几何光波导的制造工艺非常繁冗，导致最终的良率堪忧，由于市面上还没有出现达到消费级别的AR眼镜产品，它的可量产性还是一个未知数。

 

衍射光波导得益于微纳米结构和“平面光学”的技术发展，能够实现二维扩瞳。其中主流的表面浮雕光栅被多家明星公司使用并用消费级产品证明了它的可量产性，其中HoloLens II达到了52度FOV。

 

另外一种全息体光栅也在平行发展中，如果能够在材料上突破瓶颈以提升光学参数，未来量产也很有希望。我们认为，衍射光波导具体说表面浮雕光栅方案是目前AR眼镜走向消费市场的不二之选。

 

但是由于衍射光栅设计门槛高和“彩虹效应”的存在，做出理想的AR眼镜仍然任重道远，需要业内各个产业链的共同努力。

文章来源：Rokid

作者：李琨

原文始发于微信公众号（艾邦VR产业资讯）：一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术——光波导