第29卷第1期光学精密工程2021年1月Optics and Precision EngineeringJan.2021文章编号1004-924X(2021)01-0028-17增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展姜玉婷1，张毅'，胡跃强13”，郭晓明2，宋强“，段辉高3(1.湖南大学机械与运载工程学院国家高效磨削中心，湖南长沙410082：2.深圳珑璟光电技术有限公司，广东深圳518100：3.湖南大学深圳研究院珑璟光电微纳光学先进制造实验室，广东深圳518100)摘要：增强现实技术是一种将虚拟环境信息叠加在真实世界中并加以有效利用的一种新型显示技术，在教育、医疗、旅游、汽车、建筑等领域有广阔的应用前景。增强现实近眼显示设备是增强现实技术的重要组成部分，而光波导是实现增强现实近眼显示设备高性能与微型化等特性的核心光学元件。光波导主要分为儿何光波导和衍射光波导，儿何光波导原理简单，其制备技术较为完善并且可以实现量产，但视场角与出瞳范围较小、制备工艺复杂：衍射光波导则具有极高的设计自由度及优良的性能，但成像时存在的彩虹效应与色散等问题仍待解决。本文综述了不同类型光波导的设计和制备技术，分析了几何光波导和衍射光波导在原理、结构参数、性能评价和制备流程等方面的表现，最后总结了目前增强现实近眼显示技术所面临的挑战，并对未来的发展前景进行展望。关键词：增强现实：几何光波导：衍射光波导：制备技术：微纳加工：纳米压印中图分类号：TN252:TN873文戴标识码：Adoi:10.37188/0PE.20212901.0028Development of optical waveguide elements inaugmented reality near-eye displaysJIANG Yu-ting',ZHANG Yi',HU Yue-qiang',GUO Xiao-ming2,SONG Qiang",DUAN Hui-gao(1.National Research Center for High-Efficiency Grinding,College of Mechanical and Vehicle Engineer-2.Shenzhen Lochn Optics Technology Co.,Ltd.Shenzhen 518100,China;3.Advanced Manufacturing Laboratory of Micro-nano Optical Devices,Shenzhen Research Institute,Hu-nan University,Shenzhen 518100,China)Corresponding author,E-mail:huyq@hnu.edu.cn;songqiangshanghai@formail.comAbstract:Augmented reality (AR)technology is a new type of display technology that superimposes in-formation from a virtual environment onto the real world and makes effective use of it.It has broad applica-tion prospects in education,medical care,tourism,automobiles,construction,and other fields.AR near-eye display devices are a major part of AR technology,and optical waveguides are the core optical ele-ments used to realize high performance and miniaturization of AR near-eye displays.Optical waveguidesare primarily divided into geometrical and diffractive optical waveguides.The principle behind geometrical收稿日期：2020-08-27：修订日期：2020-10-15.基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.51722503,No.51621004):湖南省自然科学基金资助项目(No.2020JJ5059)第1期姜玉婷，等：增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展optical waveguides is simple.Its preparation technology is relatively complete and can be mass produced.However,the field of view and exit pupil range are small,the preparation process is complicated,and thediffractive optical waveguides rely on an extremely high degree of design freedom to obtain excellent perfor-mance.In addition,the problems of rainbow effect and dispersion in imaging must be solved.This studymainly focuses on the design and manufacturing technology of different types of optical waveguides.It alsoanalyzes the advantages and disadvantages of geometrical and diffractive optical waveguides in terms ofprinciples,structural parameters,performance evaluation,and preparation process.Finally,the studysummarizes the challenges faced by current AR near-eye display technology and looks forward to future de-velopmental prospects.Key words:augmented reality;geometrical optical waveguide;diffractive optical waveguide;fabricationtechnology;micro-machining;nanoimprint1引言更强的真实性与交互性，因此以往的绝大多数AR近眼显示设备都采用光学透射式HMD。随近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于着设备向着微型化的方向发展，在庞大的HMD近眼显示设备的虚拟现实(Virtual Reality,VR)设备无法满足用户需求的情况下，Google与微软与增强现实(Augmented Reality,AR)等人机交等公司基于不同的光束传播原理，已经研发出以互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不眼镜等形态为主的各类轻便式AR近眼显示同，VR近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟设备。环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物图1(a)和1(b)所示是以传统光学元件为主并与之进行交互：而AR近眼显示设备生成的虚的各类AR近眼显示设备的光学系统。图l(a)所拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到示为Google Glass,初代设备中的光学系统，虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强通过在人眼前设置一个半透半反棱镜，使投影仪现实的目的，因此AR相对于VR具有更强的发出的光束被半透半反棱镜反射进人人眼，外部环境光透过半透半反棱镜后直接进人人眼，从而表现出更具潜力的发展趋势。达到增强现实的目的。图1(b)所示是基于离目前，大多近眼显示(Near-Eye Display,轴非球面反射镜方案的光学系统[，这种方案的NED)设备仅仅局限于视觉这一感官上，即将光原理与基于半透半反棱镜方案的原理类似，但非束引导进观察者的眼中，从而完成虚拟与现实图球面反射镜凭借更大的体积获得了更广的视场像的叠加。早期的近眼显示设备以头盔显示器角，同时也带来了更严重的像差。此外，还有如(Head Mounted Display,HMD)为主，首个HMD图1(c)所示的基于自由曲面光学元件方案的光设备于l968年由Sutherland教授发明u.。根据学系统2。光束经过全反射面反射到自由曲面获得现实图像方法的不同，HMD可分为视频透棱镜，在自由曲面棱镜处再次反射进人的眼睛，射式和光学透射式。视频透射式HMD方案该方案中自由曲面棱镜不仅提供了更大的设计中，通过摄像机摄取现实图像并与虚拟图像整合自由度，而且在一定程度上提高了图像质量，但叠加，通过显示器以视频的方式呈现在观察者眼它的加工较为困难。上述方案的结构与原理较前，该方案成本较低，但图像在传输过程中质量为简单，但图像质量较差，并且体积较大，阻碍了的降低与时间的延迟等问题较为严重，很难获得AR近眼显示设备的微型化发展，因此为了在保理想的成像效果。光学透射式HMD方案中，外证图像质量与大视场角的同时尽可能减小设备部环境光不经处理直接进入人眼，只需将虚拟图的体积，光波导成为提升AR近眼显示设备性能像传输至人眼便可达到叠加虚拟图像与现实图的研究核心。光波导的基本原理如图1()所示，像的目的，该方案相对于视频透射式HMD具有耦入区域的光学元件将微投影光机发出的光束30光学精密工程第29卷PrismProjector A clever prism projectsFFS prismLCDa layer over reality lightRealityreflection surfaceProjectoEyeballRetina FoveaConcavemirror(sharpest image)(a)基于半透半反棱镜的AR近眼显示设备光学系统b)基于离轴非球面反射镜的AR(©)基于自由曲面棱镜的AR近眼(a)Optical system of AR near-eye display device based近眼显示设备光学系统显示设备光学系统on semi-transparent and semi-reflective prism(b)Optical system of AR near-eye (c)Optical system of AR near-eyedisplay device based on off-axisdisplay device based on free-fommaspheric reflectorprism波导基底AR光波导几何光波导衍射光波导锯齿光波导阵列光波导表面浮雕光栅波导体全息光栅波导反射式体全透射式体全微投影光机矩形光栅(d光波导原理(©)光波导分类(d)Schematic diagram of optical waveguide(e)Classification of optical waveguides图1AR近眼显示设备光学系统及光波导的原理与分类Fig.I Optical system of AR near-eye display devices and principles and classification of optical waveguide耦入进波导片并以全反射的方式传播。常用的较为常见。根据光栅种类的不同，衍射光波导主微投影光机包括发光二极管(Light Emitting Di-要可分为表面浮雕光栅波导3)与体全息光栅波ode,LED)、有机发光二极管(Organic Light-导0，。表面浮雕光栅波导的技术较为成熟，Emitting Diode,.OLED)、硅上液晶(Liquid Crys-市场中基于衍射光波导的AR近眼显示设备大多tal on Silicon,LCOS)和激光扫描显示器(Laser都采用了表面浮雕光栅波导，而体全息光栅波导Scanning Display,LSD)Iza。耦出区域的光学元受材料与工艺等因素的限制，在性能与大规模量件将波导片中传播的光束耦出到人眼，其中根据产等方面仍与表面浮雕光栅波导有一定的差距。光束耦入耦出区域光学元件的不同，耦入区域可本文对几何光波导与衍射光波导的设计原以是反射镜、棱镜、表面浮雕光栅和体全息光栅理和方法进行了阐述，并对目前AR近眼显示技等，耦出区域可以是阵列半透射半反射镜、表面术研究已取得的成果进行综述，随后对光波导制浮雕光栅和体全息光栅等，光波导的具体分类如备方案中常用的加工工艺进行了总结，最后分析图1(e)所示。几何光波导方案中最常见的是阵了AR近眼显示技术仍存在的问题，并对其发展列光波导]，微投影光机发出的光束首先被反与应用前景进行了展望。射镜耦人波导，随后在耦出区域经过大量的半透半反镜后进入人眼，这种结构的视场角和成像均2几何光波导方案匀性优良，同时堆叠的镜片阵列可以实现出瞳扩展并且获得较大的动眼眶范围。衍射光波导方几何光波导是基于传统几何光学的原理进案中采用衍射光学元件传输光束，其中衍射光栅行设计和制造的光波导方案，分为锯齿光波导和