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:
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。