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AR中的光波导元件

2021-12-20 10:36| 发布者：Davis| 查看：704| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了增强现实技术中的光波导元件，其在实现近眼显示系统高性能和微型化方面的核心作用。主要介绍了几何光波导和衍射光波导两种方案的基本原理、分类及其优缺点。其中几何光波导方案中最常见的是阵列光波导和锯齿光波导，而衍射光波导方案中主要包括表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。

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（Near-eye display，NED）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。

图1：VR和AR NED示意图

增强现实（AR）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。

増强现实近眼显示设备是増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。

光波导主要分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导原理简单，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。

1. AR光波导的基本原理及分类

为了在保证图像质量与大视场角的同时尽可能减小设备的体积，光波导成为提升AR近眼显示设备性能的研究核心。

光波导的基本原理如图2所示：

图2：光波导的基本原理

耦入区域的光学元件将微投影光机发出的光束耦入进波导片并以全反射的方式传播。

常用的微投影光机包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、硅基液晶(LCOS)和激光扫描显示器(LSD)。

耦出区域的光学元件将波导片中传播的光束耦出到人眼，其中根据光束耦入耦出区域光学元件的不同，耦入区域可以是反射镜、棱镜、表面浮雕光栅和体全息光栅等，耦出区域可以是阵列半透射半反射镜、表面浮雕光栅和体全息光栅等。

光波导的具体分类如图3所示：

图3：光波导的分类

几何光波导方案中最常见的是阵列光波导，微投影光机发出的光束首先被反射镜耦入波导，然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。

衍射光波导方案中采用衍射光学元件传输光束，其中衍射光栅较为常见。根据光栅种类的不同，衍射光波导主要可分为表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导。表面浮雕光栅波导的技术较为成熟，市场中基于衍射光波导的AR近眼显示设备大多都采用了表面浮雕光栅波导，而体全息光栅波导受材料与工艺等因素的限制，在性能与大规模量等方面仍与表面浮雕光栅波导有一定的差距。

2. 几何光波导方案

几何光波导是基于传统几何光学的原理进行设计和制造的光波导方案，分为锯齿光波导和阵列光波导。

因几何光学的原理简单，几何光波导的设计思路相对明确、制备技术较为成熟，同时结合扩瞳技术可以在保证图像质量同时获得较大的动眼眶范围。

凭借着这些优点，几何光波导方案备受研究人员的青睐，成为目前AR近眼显示技术的主流方案之一。

2.1 锯齿光波导

在锯齿光波导方案中，光束首先以一定入射角度入射进波导片，其出瞳区域的结构为具有一定反射率的锯齿状反射面，用于将光束反射耦出到人眼。

图4：一种锯齿形光波导光学系统

图4为一种具有锯齿斜面结构的光学系统，波导片内传输的光束通过锯齿结构反射进入人眼，外部环境光经过波导片直接进入人眼。

图5：一种锯齿形光波导光学系统

图5为一种AR近眼显示设备中的光学系统，该方案利用间断式的锯齿结构，完成虚拟图像与外部环境图像的合并。但是这种方案易受杂散光的影响，因为光束在锯齿结构上经过一次以上的反射就会成为杂散光，并且随着齿数增多，杂散光也会相应增多，杂散光的存在会影响对比度从而降低图像质量。为了解决这个问题，需要调整波导片的厚度。此外由于该方案中有一部分没有锯齿结构，所以不能传播全部能量，能量利用率较低，特别在视场角较大时能量损失尤为严重。

2.2 阵列光波导

图6：阵列光波导原理

图6所示为阵列光波导方案的原理。这种方案与锯齿光波导方案相比，其具有杂散光少、能量分布均匀、视场角大等明显优势。阵列光波导中反射光学元件布满整个波导片，耦入区域中反射镜将光束引导进波导片，耦出区域中阵列排布了一些具有角度选择性的半透半反薄膜面，每个薄膜面会将部分光束反射耦出波导片进入人眼，未耦出的光束透射过薄膜面继续在波导片中传输。这部分光束在传输到下一个薄膜面时，会重复上述的“反射-透射”过程，直到阵列里的最后一个薄膜面将剩余光束反射出波导片进入人眼。多次反射不仅能将出射光“调整”得比较均匀，而且能将波导片中的光束分批多次出射以实现扩瞳技术、增大动眼眶范围，进而扩大AR近眼显示设备的服务范围。

Lumus公司致力于阵列光波导元件的开发，经过数十年的迭代优化，已经研发出很多优秀的产品。Lumus公司最初推出的阵列光波导方案只实现了一维方向的扩瞳，该方案的结构较为简单，为了提高视场角，需要对结构进行优化设计，即在设计反射阵列时需要考虑各个半透半反面透光的均匀性，因此设计难度大幅增加。通过合理优化反射阵列的结构参数可以改善亮暗条纹的不均匀性，在人眼能够分辨的颜色均匀性范围内实现较高质量的成像。此外 Google和微软也设计出了类似的光波导结构，以满足用户的需求。为了进一步提升AR近眼显示设备的性能，Lumus公司在一维扩瞳方案的基础上提出了二维扩瞳方案。他们在两个区域内分别设置组反射阵列，第一区域实现一个方向的扩瞳，同时将光束引导至第二区域，第二区域实现另个方向的扩瞳，并将光束耦出，最终获得了较为理想的动眼眶范围。

在设计阵列光波导时不仅要充分考虑杂散光与人眼兼容性等各项性能指标，而且为了有效扩大出瞳还要引入更多反射面，但是对所有反射面进行“半透半反”的镀膜工艺比较繁琐，因此阵列光波导的设计过程较为复杂。为了防止光束在镜面阵列中逐渐变弱而导致出光不均匀现象的发生,不同镜面的反射透射比也要不同，而不同的反射透射比则通过在镜面镀不同层数的膜来实现，之后不同的镜面需要用特殊的胶水进行粘合，并按照特定的角度切割成不同的形状。这个过程中，镀膜工艺的好坏、镜面与镜面之间的平行度以及最后切割的角度等因素都会影响最终设备的成像质量。因此，多个膜层的反射率和透射率控制、整机优化、镀膜，最终保证整个动眼框范围内的成像均匀性，实现成像质量的提高，是阵列光波导研究的重点。

3. 衍射光波导方案

衍射光波导与几何光波导不同，它的设计不依赖于几何光学，而是利用光的衍射效应，主要采用光栅结构实现对光束的调制。虽然光栅结构的设计过程较为复杂，但提供了较大的设计自由度，通过计算优化光栅结构参数后的衍射光波导AR近眼显示设备可以获得优良的成像效果与较大的视场。随着微纳加工技术与大批量制造技术的蓬勃发展，衍射光波导也逐渐受到关注，其相关产品也逐步开始研发。

3.1 表面浮雕光栅波导

表面浮雕光栅波导方案中通过使用亚波长尺度的表面浮雕光栅( Surface Relief grating, SRG)代替传统的折反射元件(Refractive Optical Element, ROE)作为光波导中耦入、耦出和扩展区域的光学元件，从而实现对光束的调制。

表面浮雕光栅指的是在表面产生的周期性变化结构，即在表面形成的各种具有周期性的凹槽。

根据凹槽的轮廓、形状和倾角等结构参数的不同，常用的表面浮雕光栅可以分为一维光栅与二维光栅。一维光栅根据剖面形状划分为矩形光栅、梯形光栅、闪耀光栅和倾斜光栅等，二维光栅常用的结构有六边形分布的柱状光栅。

表面浮雕光栅对光束进行调制时，光束的传输严格遵循光的衍射方程，其衍射方向与入射光的波长和入射角、光栅周期以及介质的材料等参数有关。通常采用严格耦合波法设计表面浮雕光栅，通过设计优化光栅的结构参数可以在理论上获得极高的衍射效率，从而提高成像质量。

3.1.1 一维衍射光栅

维衍射光栅指的是在单一方向具有周期性线性排布的光栅结构。

图7：一维衍射光栅原理

图7为一维衍射光栅原理，根据衍射理论，当光束经过耦入区域时会被分束为多个不同角度的衍射级次，通过对光栅的周期、深度和占空比等参数进行调节，并结合严格耦合波法计算各个衍射级次的效率，进而使某个方向的衍射光束具有最高的衍射效率，一方面可以实现光束的定向传输，另一方面可以提高成像质量。

最常用的一维衍射光栅是矩形光栅和倾斜光栅。最早将矩形光栅用到近眼显示设备的是诺基亚。当光束从耦入区域进入到波导片后，在耦入与耦出区域的光栅周期相同的下，出射光会从耦出区域以与入射光相同的方向进入到人眼。在设计彩色AR 近眼显示设备时，不同波长的光束在波导片中传输时会存在光程差，这会导致严重的色差。为了解决这个问题，诺基亚设计了一种双层堆叠矩形光栅波导。其原理是根据不同的波长设计光栅的结构周期，综合考虑不同颜色之间的串扰程度以及加工难度后，他们在结构中设置双层波导片，其中一层为红光传输的波导片，另一层为蓝光和绿光传输的波导片。为了降低颜色之间的串扰，在耦入区域设置一个高通滤波器，在耦出区域设置一个低通滤波器，从而使不同波长的光选择性地通过耦合区域。双层波导片相比于单层波导片在视场角上有了很大的提升，获得了 25°的视场角，但这种光栅的排布方法只能实现水平方向的扩瞳，实际的动眼眶范围并不够大，适用的人群范围较小。为了解决因光束在波导片传输过程中不断泄露而导致光栅衍射效率分布不均匀的问题，研究人员将不同位置的光栅设计成不同高度，以提升成像质量。虽然一维矩形光栅结构较为简单，但是其相关AR 近眼显示设备存在着衍射效率不均匀和动眼眶范围较小等问题。

闪耀光栅和倾斜光栅可以用来提升衍射光栅波导的性能，通过对比应用性能以及制备时对误差的敏感程度，可知，倾斜光栅的应用范围相对于闪耀光栅来说更加广泛。

倾斜光栅的设计及制备工艺相对于矩形光栅具有更高的难度，但是倾斜光栅的设计过程具有更大的自由度，通过设计倾斜角度可以实现入射光波长带宽与角度带宽的调制。

图8：倾斜光栅的 SEM 图

图9：倾斜光栅的设计方案

图10：人字形排布示意图

图11：人字形设计的实际AR产品

图8为倾斜光栅的 SEM 图，为减弱不同颜色之间的串扰并且降低加工难度，可以将倾斜光栅设计成图9下方所示的结构，即将光栅分成左右两个部分，并在中间涂覆吸光材料。这种结构可以使不同波长的光束在各自的波导片中传播，但还是会有少量光束进入到其他波导片，为此可以将波导片设计成人字形，如图10所示，以解决成像质量不高的问题。图 11为人字形波导片的实际产品示意图。

图12：一维光栅扩展出瞳原理图

动眼眶范围是衡量AR 近眼显示设备性能的标准之一。图12为一维光栅扩展出瞳原理图，该结构具有耦入、转折和耦出区域，耦入区域设计成矩形光栅，转折区域和耦出区域设计成倾斜光栅。入射光束通过耦入区域进入波导片，在转折区域实现光束的偏转并完成一个方向上的扩展，在耦出区域实现光束的耦出和另一个方向上的扩展，代表产品为 Hololens。

在矩形光栅中，为保证出射光与入射光方向相同，耦入与耦出区域的光栅周期也应一致，转折区域的光栅周期 d 为：

上式中，θ为光束在入射方向相对于耦入光栅的偏转角。为了保证最终耦出时光束分布均匀，不同位置的光栅设计深度不同。

3.1.2 二维衍射光栅

为了在提升衍射效率的同时更好地扩大出瞳范围，二维光栅方案被提出并且获得了很好的效果。

图13：二维光栅扩展出瞳原理图

图14：二维光栅结构SEM图

基于表面浮雕光栅波导的二维光栅扩展出瞳原理图如图13所示，该结构中耦入区域为经典的一维光栅结构，图14为耦出区域二维光栅结构的 SEM 图。光束从耦入区域进入波导，并在波导片内以全反射方式传播到耦出区域，凭借这种结构可以同时实现光束的耦出和多个方向的扩展。

图15：WaveOptics衍射光波导产品图

图16：二维光栅K域图

二维光栅波导生产的代表公司为 WaveOptics，图15为 WaveOptics 制造的型号为 28°KATANA 的衍射光波导产品。

图16是二维光栅波导的 K 域图，内圈代表波导片中的全反射条件，外圈代表波导片材料可以达到的最大 K 值。

耦入光栅将光束的 K 值平移到环形区域，使光束满足在波导片内全反射传播的条件；耦出光栅将部分光束的 K 值从环形区域平移到内圈区域，使光束耦出到人眼。

3.1.3 成像质量的提高

成像均匀性是成像质量的重要指标之一。

图17：Dispelix衍射光波导产品图

Dispelix 公司采用独特的结构，提高了视场角和动眼框范围内的成像均匀性，其产品名为 DPX30°，示意图如图17所示。

图18：多波导片堆叠色差解决方案的光学系统

此外，色差也是影响成像质量的关键因素之一。当前的消色差方案中大都设计多个波导片，分别传输不同波长范围的光束，从而获得消除色差的效果，如图18所示。例如，微软公司提出将多个波导组件背对背折叠的方案，每个波导片分别传输一定波长范围内的 RGB 光束，从而在一定范围内降低色差的影响，并且在线偏振光入射的时候可以获得最高的衍射效率。

目前，大多光波导结构的角度选择性与波长选择性较小，同时类似于上述方案的结构存在一定的偏振选择性。如何减小体积，仅采用单层波导片既能解决多波长光束入射情况下的色差问题，又能获得较大的视场角以满足用户需求仍是当前急需突破的技术瓶颈。

3.2 体全息光栅波导

体全息光栅波导方案采用体全息光栅（Volume HolographicGrating，VHG）作为衍射光波导中的耦入耦出元件。通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而可以获得折射率周期性变化的光栅结构。

当介质的厚度远大于光波长时这种结构称为体全息光栅，在不同的应用场合，体全息光栅可以分为单层、多层、振幅型、位相型以及透射式与反射式等。

体全息光栅相对于表面浮雕光栅具有更高的衍射效率，但是它对入射光的波长与衍射角要求更高。它与表面浮雕光栅一样可以使用严格耦合波法计算不同结构的光栅对应的各级衍射效率，同时通过调节并优化光栅的周期等参数可以改变衍射效率，进而提高光学系统的成像质量。理论上在满足布拉格条件的情况下，体全息光栅的衍射效率可以达到100%，因此体全息光栅在理论上具有更好的成像效果。

图19：美能达产品的光学系统

美能达在 2000 年首次提出将全息光学元件用于衍射光波导中的方案。图19为其产品的光学系统，光束以一定的角度进入波导片中并以全反射的方式传输，最后通过全息光学元件将光束耦出到人眼。这种最简单的结构为之后的设计提供了具体的思路，但是该方案动眼眶范围较小，多波长光束入射情况下的色差问题也未解决，因此无法应用于实际中。

图20：Sony产品的光学系统

之后 Sony 提出了衍射元件色差的解决方案，其光学系统如图20所示。耦入与耦出结构为对称体全息光栅，通过将波导结构分为两层，不同波长的光束斜入射后进入不同波导片并实现分离传输，这种方法明显地改善了色差对成像质量的影响。

图21：可切换布拉格光栅波导方案中液晶局部排列示意图

DigiLens 公司提出并优化了一种以可切换布拉格光栅（Switchable Bragg Grating，SBG）为主的衍射光波导方案。可切换布拉格光栅是一种可以改变折射率的光栅，区别于普通体全息光栅，它是由平行玻璃板作为电极，中间夹有光聚合物和液晶材料的结构。在将光栅记录进光学系统时中间部分会被液晶微滴填充，同时通过在极板间施加电压可以改变液晶微滴的方向，从而实现衍射效率与折射率的调制，因此在保证衍射效率的同时为设计加工提供了更大的自由度。为了使可切换布拉格光栅波导在实际应用中得到推广，图21展示了 DigiLens 公司研制出的可切换布拉格光栅波导方案中液晶的局部排列。该结构同时采用 3 个波导片传输不同波长的光束并在布拉格条件下以确定的角度传输光束，最终实现了彩色成像，这项技术在驾驶过程中可以帮助驾驶员获得更多的路况信息。

DigiLens 采用可切换布拉格光栅阵列结构，设计优化每个可切换布拉格光栅的参数，使光栅在特定范围内调整光束，同时结合激光器的优点后可以获得较高的分辨率，通过优化使得激光的扫描周期与每个光栅衍射状态的持续时间一致，最终实现大视场条件下的高分辨率成像。这种结构质量轻且分辨率高，可以实现从紫外波段到红外波段的光谱成像，应用于激光雷达装置中可以对 3D 地图进行重建。

Facebook 同样采用可切换布拉格光栅选择性地从波导片中耦出光束，同时波导片中红外光源发出的光线被人眼反射回波导片后可以借此确定眼睛的位置和方向，这为AR 近眼显示设备提供了更高的灵活性。

衍射光波导的设计与制造过程都比几何光波导困难，但是体积小、灵活度高是它具有较大发展潜力的重要因素。它的设计依赖于较复杂的严格耦合波理论，制造依赖于当前仍在发展的微纳制造工艺，由于其结构尺度属于微纳范畴，所以设计与制造时的微小偏差都会导致成像质量的下降，此外当前已经被设计并制造出的产品均不能兼具大视场角与高图像质量，衍射光波导技术还需获得进一步的突破。

虽然表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导的设计原理类似，但是体全息光栅波导的量产与视场角等问题严重限制了它的应用范围，因此当前表面浮雕光栅波导更具优势。此外，几何光波导和衍射光波导虽然在原理上大相径庭，但是在扩展出瞳、增大动眼眶范围的设计思路上如出一辙，将两者的优势相结合可以得到较为可观的效果。

Lumus 将几何光波导与衍射光波导相结合，在结构中设置了 2 个衍射光波导与 1 个几何光波导，每个光波导单独实现一个方向的扩展，同时衍射光波导起到了减弱色散影响的作用，最终提高了成像质量。

微软提出了双面衍射光栅的方案，并证明双面衍射光栅相对于单面衍射光栅具有更高的衍射效率，进而将表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导相结合形成混合SRG-VBG光栅，使用体全息布拉格光栅（Volume Bragg Gratings，VBG）可以有效调整衍射角度带宽，相对于仅采用表面浮雕光栅波导方案，VBG 提高了视场极端处的衍射效率，从而增强了成像均匀性。

此外，基于共振波导光栅耦合器、超表面光栅耦合器等光学元件的光波导方案在技术和加工方面仍有一定困难，还有很大的发展空间。

不同光波导方案的对比：

图22：不同光波导方案的对比

每种光波导方案都有自己的优势和劣势，但是在耦入耦出时均存在很大的能量损失，如何完善并解决这个问题是提升AR 近眼显示技术的关键。

当前几何光波导应用范围较广，并且效果很好，但是制造工艺复杂，很难满足理想条件，并且产出率相对较低；衍射光波导作为非传统光学元件，相对于几何光波导在设计和制备方面具有更高的自由度，但是存在视场角较低与色散等问题，同时设计过程较为困难，需要对结构进行不断优化才能获得更高的衍射效率和更好的成像质量。此外，由于衍射光栅的尺度在微米级和纳米级，材料选择与加工量产等因素决定了衍射光波导能否在日常生活和商业应用中普及，解决这些问题，并实现较大的突破仍是 AR 显示技术发展的主要目标。随着纳米压印等微纳加工技术的不断进步，衍射光波导在未来会成为主流的光波导方案之一。

参考文献：

《增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展》