Reflective Waveguide Displays
for Mass Market AR
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光波導，因其輕薄和外界光線的高穿透特性，而被認為是消費級 AR 眼鏡的必選光學方案，又因其價格高和技術門檻高讓人望而卻步。隨著主流AR設備微軟 HoloLens 2、Magic Leap One 等，對光波導技術的採用和設備量產，以及 AR 光學模組廠商 DigiLens、耐德佳、靈犀微光等，近期融資消息的頻繁披露，導致光波導的討論熱度，也持續增加了不少。
那麼，光波導的工作原理是怎樣的？市面上林林總總的陣列光波導、幾何光波導、衍射光波導、全像光波導、多層光波導，又有什麼不同？它又是如何一步步改變 AR 眼鏡市場格局的？
一、光波導，一個應AR眼鏡需求而生的光學方案
增強現實(AR)與虛擬現實(VR)是近年來廣受關注的科技領域，它們的近眼顯示系統都是將顯示器上的像素， 透過一系列光學成像元件，形成遠處的虛像，並投射到人眼中。
不同之處在於，AR 眼鏡需要透視(See-Through)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬資訊，所以成像系統不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學組合器(optical combiner)，透「層疊」的形式， 將虛擬資訊和真實場景融為一體，互相補充，互相「增強」。
圖 1. (a) 虛擬現實(VR)近眼顯示系統的示意圖; (b) 增強現實(AR)近眼顯示系統的示意圖。
NED：近眼顯示(Near-eye display，簡稱 NED)
AR 設備的光學顯示系統，通常由微型顯示幕和光學元件組成。概括來說，目前市場上的 AR 眼鏡，採用的顯示系統，就是各種微型顯示幕和稜鏡、自由曲面、BirdBath、光波導等光學元件的組合，其中光學組合器的不同，是區分 AR 顯示系統的關鍵部分。
微型顯示幕，用來為設備提供顯示內容。它可以是自發光的有源器件，比如發光二極管面板像 micro-OLED，和現在很熱門的 micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶顯示幕(包括透射式的 LCD 和反射式的 LCOS)，還有基於微機電系統(MEMS)技術的數位微鏡陣列(DMD，即 DLP 的核心)和雷射束掃描儀(LBS)。
這裡做了一張簡單的 AR 光學顯示系統的分類和產品舉例：
因為本文主要闡述，光波導的工作原理和特點，對其它光學方案不做詳細介紹，關於幾種方案的區別，之前也有較多文章進行了闡述。很顯然，完美的光學方案還沒有出現，才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態，這需要 AR 眼鏡的產品設計者，依據應用場景、產品定位等來做權衡取捨。
我們認為，光波導方案從光學效果、外觀形態，和量產前景來說，都具備最好的發展潛力，可能會是讓 AR 眼鏡，走向消費級的不二之選。
二、光波導是如何工作的
在上述光學成像元件中，光波導技術是應 AR 眼鏡需求而生的，一個比較有特色的光學組件，因它的輕薄與外界光線的高穿透特性，而被認為是消費級 AR 眼鏡的必選光學方案，而隨著微軟 Hololens 兩代產品，以及 Magic Leap One 等設備，對光波導的採用和量產，關於光波導的討論熱度也在持續增加。
其實，波導技術並不是什麼新發明，我們熟悉的光通信系統中，用來傳輸信號的光纖，組成了無數條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導的一種，只不過傳輸的，是我們看不見的紅外線波段的光。
在 AR 眼鏡中，要想光在傳輸的過程中，無損失無洩漏，「全反射」是關鍵，即光在波導中，像隻游蛇一樣，通過來回反射前進，而並不會透射出來。
簡單來說，達到全反射需要滿足兩個條件：(1) 傳輸介質即波導材料，需要具備比周圍介質高的折射率(如圖2所示n1＞ n2)； (2) 光進入波導的入射角需要大於臨界角 θc.
簡單來說，達到全反射需要滿足兩個條件：(1) 傳輸介質即波導材料，需要具備比周圍介質高的折射率(如圖2所示n1＞ n2)； (2) 光進入波導的入射角需要大於臨界角 θc.
圖 2. 全反射原理示意圖
光機完成成像過程後，波導將光耦合進自己的玻璃基底中，透過「全反射」原理，將光傳輸到眼睛前方，再釋放出來。這個過程中波導只負責傳輸圖像，一般情況下，不對圖像本身做任何「功」(比如放大縮小等)，可以理解為「平行光進，平行光出」，所以它是獨立於成像系統，而存在的一個單獨元件。
光波導的這種特性，對於優化頭戴的設計，和美化外觀有很大優勢。因為有了波導這個傳輸管道，可以將顯示幕和成像系統，遠離眼鏡，移到額頭頂部或者側面，這極大降低了光學系統，對外界視線的阻擋，並且使得重量分布，更符合人體工程學，從而改善了設備的佩戴體驗。
這裡將波導技術的主要優點和不，足羅列如下，希望讀者閱讀完本文後，會對背後的緣由更加瞭解。
優點
- 增大動眼框範圍從而適應更多人群，改善機械容差，推動消費級產品實現 – 透過 1D 和2D 擴瞳技術增大動眼框。
- 成像系統旁置，不阻擋視線並且改善配重分布 – 波導鏡片像光纜一樣將圖像傳輸到人眼。
- 外觀形態更像傳統眼鏡，利於設計更新 – 波導形態一般是平整輕薄的玻璃片，其輪廓可以切割。
- 提供了「真」3D圖像的可能性 – 多層波導片可以堆疊在一起，每層提供一個虛像距離。
不足
- 光學效率相對較低 – 光在耦合進出波導，以及傳輸的過程中都會有損失，並且大的動眼框使得單點輸出亮度降低。
- 幾何波導: 繁冗的製造工藝流程，導致總體良率較低。
- 衍射波導: 衍射色散導致圖像有「彩虹」現象和光暈，非傳統幾何光學，設計門檻較高。
圖 3. 基於波導的 AR 眼鏡外觀原理示意圖
三、光波導的不同分類
如文章第二部分所提，波導結構的基礎，是輕薄透明的玻璃基底(一般厚度在幾毫米或亞毫米級別)，光通過在玻璃上下，表面之間來回「全反射」前進。
如果我們基於全反射的條件做一個計算，會發現只有一部分角度的入射光，能夠在波導中傳輸，這便決定了 AR 眼鏡，最終的視場角(FOV)範圍。
簡而言之，越是大的視場角，就需要越高折射率的玻璃基底來實現。因此傳統玻璃製造商比如康寧(Corning)和肖特(Schott)，近年來都在為近眼顯示市場，研製專門的高折射率，並且輕薄的玻璃基底，還在努力不斷增大晶元尺寸，以降低波導生產的單位成本。
有了高折射率玻璃基底，區別波導類型就主要在於，光進出波導的耦合結構了。光波導總體上可以分為幾何光波導（Geometric Waveguide）和衍射光波導（Diffractive Waveguide）兩種，幾何光波導就是所謂的陣列光波導，其透過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出，和動眼框的擴大，代表光學公司是以色列的 Lumus，目前市場上還未出現，大規模的量產眼鏡產品。
衍射光波導主要有利用光刻技術，製造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Grating)，和基於全像技術干涉技術製造的全像體光柵波導(Volumetric Holographic Grating)、 HoloLens 2，Magic Leap One 均屬於前者，全像體光柵光波導，則是使用全像體光柵元件代替浮雕光柵，蘋果公司收購的 Akonia 公司，採用的便是全像體光柵，另外致力於這個方向的，還有 Digilens。這個技術還在發展中，色彩表現比較好，但目前對 FOV 的限制也比較大。
這裡還要區別一下真正的「全像技術」，其實這一直是個誤區，全像光柵只是因為利用了，類似於全像照相的原理來製造的，即用兩束雷射形成干涉條紋，來調制光柵材料的特性，以形成「折射率週期」，光柵本身並不能夠全像成像。
四、幾何光波導的工作原理及優缺點
限於文章篇幅的原因，今天主要分析幾何波導的工作原理和優缺點，下一篇再重點分析衍射波導。
三、光波導的不同分類
如文章第二部分所提，波導結構的基礎，是輕薄透明的玻璃基底(一般厚度在幾毫米或亞毫米級別)，光通過在玻璃上下，表面之間來回「全反射」前進。
如果我們基於全反射的條件做一個計算，會發現只有一部分角度的入射光，能夠在波導中傳輸，這便決定了 AR 眼鏡，最終的視場角(FOV)範圍。
簡而言之，越是大的視場角，就需要越高折射率的玻璃基底來實現。因此傳統玻璃製造商比如康寧(Corning)和肖特(Schott)，近年來都在為近眼顯示市場，研製專門的高折射率，並且輕薄的玻璃基底，還在努力不斷增大晶元尺寸，以降低波導生產的單位成本。
有了高折射率玻璃基底，區別波導類型就主要在於，光進出波導的耦合結構了。光波導總體上可以分為幾何光波導（Geometric Waveguide）和衍射光波導（Diffractive Waveguide）兩種，幾何光波導就是所謂的陣列光波導，其透過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出，和動眼框的擴大，代表光學公司是以色列的 Lumus，目前市場上還未出現，大規模的量產眼鏡產品。
衍射光波導主要有利用光刻技術，製造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Grating)，和基於全像技術干涉技術製造的全像體光柵波導(Volumetric Holographic Grating)、 HoloLens 2，Magic Leap One 均屬於前者，全像體光柵光波導，則是使用全像體光柵元件代替浮雕光柵，蘋果公司收購的 Akonia 公司，採用的便是全像體光柵，另外致力於這個方向的，還有 Digilens。這個技術還在發展中，色彩表現比較好，但目前對 FOV 的限制也比較大。
這裡還要區別一下真正的「全像技術」，其實這一直是個誤區，全像光柵只是因為利用了，類似於全像照相的原理來製造的，即用兩束雷射形成干涉條紋，來調制光柵材料的特性，以形成「折射率週期」，光柵本身並不能夠全像成像。
四、幾何光波導的工作原理及優缺點
限於文章篇幅的原因，今天主要分析幾何波導的工作原理和優缺點，下一篇再重點分析衍射波導。
圖 4. 光波導的種類: (a) 幾何式光波導和「半透半反」鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導和表面浮雕光柵的原理示意圖， (c) 衍射式光波導和全像體光柵的原理示意圖。
「幾何光波導」的概念，最先由以色列公司 Lumus 提出，並一直致力於優化更新，至今差不多快二十年了。按圖 4(a) 所示，耦合光進入波導的，一般是一個反射面或者稜鏡。在多輪全反射後光到達眼鏡前方時，會遇到一個「半透半反」鏡面陣列，這就是耦合光出波導的結構了，也就是幾何光波導裡的「光組合器」。
「半透半反」(確切說是「部分透部分反」)的鏡面，是嵌入到玻璃基底裡面，並且與傳輸光線形成一個特定角度的表面，每一個鏡面會將部分光線，反射出波導進入人眼，剩下的光線透射過去，繼續在波導中前進。然後這部分前進的光，又遇到另一個「半透半反」鏡面，從而重覆上面的「反射-透射」過程，直到鏡面陣列裡的最後一個鏡面，將剩下的全部光反射出波導進入人眼。
在傳統光學成像系統中，圖像通常只有一個「出口」，叫做出瞳。這裡的「半透半反」鏡面陣列相當於將出瞳沿水平方向複製了多份，每一個出瞳都輸出相同的圖像，這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像，這就是一維擴瞳技術(1D EPE)。
詳細說明，假設進入波導「入瞳」的是直徑 4 毫米的光束，由於波導只負責傳輸，而並不把圖像放大縮小等，那麼「出瞳」的也是 4 毫米的光束，在這種情況下人眼的瞳孔中心，只能在這 4 毫米的範圍內移動，並且仍能看到圖像。
這樣的問題是，不同性別和年齡的人雙眼瞳孔間距可能從 51 毫米到 77 毫米不等，如果近眼顯示系統的光學中心依據瞳距的平均值(63.5毫米)位置來設計，這就意味著有很大一部分人戴上這個眼鏡看不到清晰的圖像或完全接收不到圖像。
有了這個擴瞳技術，動眼框範圍通常能從最初的 4 毫米左右，擴大到 10 毫米以上。你可能會產生疑問，多個出瞳，這樣眼睛不會看到重影麼？
放心吧，出瞳面只是圖像的「傅里葉面」，人眼瞳孔會從這個面截取完整的圖像資訊，並用自帶的「透鏡」晶狀體，會將出瞳面透射到真正的「像面」（視網膜）上，因而同一角度的光，還是會匯聚到同一個像素（視覺細胞），不會出現重影。
放心吧，出瞳面只是圖像的「傅里葉面」，人眼瞳孔會從這個面截取完整的圖像資訊，並用自帶的「透鏡」晶狀體，會將出瞳面透射到真正的「像面」（視網膜）上，因而同一角度的光，還是會匯聚到同一個像素（視覺細胞），不會出現重影。
可能有點難理解，但這是擴瞳技術可行的精髓。動眼框的擴大解決了，產品設計中的很多問題，例如機械設計容差、產品規格數目(需不需要分男版和女版)、用戶交互體驗等，將 AR 眼鏡向消費級產品的實現，大大推動了一步。
但是天下沒有免費的晚餐，複製出瞳導致總的出光面積增大，自然而然在每一個出瞳的位置看到的通光量就減小了，這也是引起波導技術光效率，比傳統光學系統偏低的原因之一。
幾何光波導運用傳統幾何光學設計理念、仿真軟體和製造流程，沒有牽扯到任何微奈米級結構。因此圖像品質，包括顏色和對比度，可以達到很高的水準。
但是，工藝流程比較繁冗，其中一步是「半透半反」鏡面陣列的鍍膜工藝。由於光在傳播過程，中會越來越少，那麼陣列中這五六個鏡面的每一個，都需要不同的反射透射比(R/T)，以保證整個動眼框範圍內的出光量是均勻的。
並且由於幾何波導傳播的光，通常是偏振的(來源於 LCOS 微型顯示幕的工作原理)，導致每個鏡面的鍍膜層數，可能達到十幾，甚至幾十層。另外，這些鏡面是鍍膜後，層層摞在一起，並用特殊的膠水粘合，然後按照一個角度切割出波導的形狀，這個過程中，鏡面之間的平行度，和切割的角度，都會影響到成像品質。
因此，即使每一步工藝都可以達到高良率，這幾十步結合起來的總良率，卻是一個挑戰。
每一步工藝的失敗，都可能導致成像出現瑕疵，常見的有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。
另外，雖然隨著工藝的優化鏡面陣列，已經幾乎做到「不可見」，但在關掉光機的情況下，仍然可以看到鏡片上的一排竪條紋(即鏡面陣列)，可能會遮擋一部分外部視線，也影響了 AR 眼鏡的美觀。
接著下來，我們重點分析下光波導的另一個類群 – 衍射光波導 (Diffractive Waveguide)， AR 眼鏡，想要具備普通眼鏡的外觀，真正走向消費市場，衍射光波導，具體說表面浮雕光柵方案，是目前的不二之選。
目前諸如微軟 Hololens 一代和二代、Magic Leap One 等多家明星產品，使用並用消費級產品證明瞭衍射光波導的可量產性，Rokid 最新發佈的 Rokid Vision AR 眼鏡，也是採用雙目衍射光波導的方案。製造衍射光波導所需要精度和速度，都可靠的電子束曝光和奈米壓印的儀器都價格不菲，並且需要放置在專業的超淨間裡，有條件建立該產線的廠商屈指可數。
下面，就讓我們透過以下的介紹，瞭解下對於 AR 眼鏡而言，神秘又重要的衍射光波導技術。
圖 1. 光波導的種類: (a) 幾何式光波導和「半透半反」鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導和表面浮雕光柵的原理示意圖， (c) 衍射式光波導和全息體光柵的原理示意圖。本圖改編自https://hackernoon.com/fundamentals-of-display-technologies-for-augmented-and-virtual-reality-c88e4b9b0895
以下我們將著重講解，衍射光波導的工作原理，與幾何光波導相比的優缺點，以及衍射光波導使用的兩種主流光柵 – 「表面浮雕光柵(SRG)」和」全像體光柵(VHG)」。
一、衍射光波導的核心 – 衍射光柵
要想光機產生的虛像，被光波導傳遞到人眼，需要有一個光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波導的過程，在幾何光波導裡，這兩個過程都是由傳統光學元器件比如稜鏡、「半透半反」鏡面陣列完成的，過程簡單易懂，但是具有體積和量產工藝上的挑戰。
在衍射光波導裡，傳統的光學結構，被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產生和流行，得益於光學元件，從毫米級別到微奈米級別，從「立體」轉向「平面」的技術進步趨勢。
在衍射光波導裡，傳統的光學結構，被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產生和流行，得益於光學元件，從毫米級別到微奈米級別，從「立體」轉向「平面」的技術進步趨勢。
那麼衍射光柵是什麼呢？簡單來說，它是一個具有週期結構的光學元件，這個週期可以是材料表面，浮雕出來的高峰和低谷 (圖1b)，也可以是全像技術在材料內部，曝光形成的「明暗干涉條紋」(圖1c)，但歸根結底都是在材料中，引起了一個折射率 n (refractive index)的週期性變化。
這個週期一般是微奈米級別的，與可見光波長(~450-700nm)一個量級，才能對光線產生有效的操控。
衍射光柵的「分光」體現在兩個維度，如圖2中所示，假設入射光是單一波長的綠光，它會被衍射光柵，分成若干個衍射級(diffraction order)，每一個衍射級沿著不同的方向，繼續傳播下去，包括反射式衍射(R0, R±1, R±2,…)，和透射式衍射(T0, T±1, T±2,…)的光線，每一個衍射級對應的衍射角度(θm， m=±1, ±2, …)，由光線的入射角(θ)和光柵的週期(Λ)決定，透過設計光柵的其他參數(材料折射率n、光柵形狀、厚度、佔空比等)，可以將某一衍射級(即某一方向)的衍射效率優化到最高，從而使大部分光，在衍射後，主要沿這一方向傳播。
這就起到了與傳統光學器件，類似的改變光線傳播方向的作用，但是它所有的操作，又都是在平面上，透過微奈米結構實現的，所以非常節省空間，自由度也比傳統光學器件大很多。
對於光波導而言，這一衍射角度，還需要滿足玻璃基底裡的全反射條件，才能在波導中傳播，這在前述中有分析過。
在將入射光分成不同衍射級的基礎上，衍射光柵的另一「分光」維度體現在色散，即對同一光柵週期來說，不同波長的衍射角度(θm)也不同。如圖2所示，假設入射光是白光，那麼波長越長的光線衍射角度越大，即圖示的衍射角紅光(R)＞綠光(G)＞藍光(B)，這一色散作用，在反射衍射和透射衍射中，都會體現出來。
這個現象是不是看上去有點熟悉？我想大家小時候都玩過稜鏡，太陽光(白光)通過它之後，也會被分光成「彩虹」，只不過它的分光原理，是光的折射作用而非衍射作用。
圖2(c)將衍射光柵的分光現象(包括多衍射級和色散作用)，與稜鏡的分光色散做了直觀的對比，可以看到衍射光柵，將光分成不同衍射級別的同時，每一個級別又都有色散現象，比分光稜鏡要複雜很多。
圖 2. (a) 表面浮雕光柵的部分衍射級和色散示意圖, (b) 全息體光柵的部分衍射級和色散示意圖， (c) 衍射光柵與分光稜鏡的對比示意圖。
二、衍射光波導的工作原理
瞭解了衍射光柵的工作原理之後，我們來看一下它如何在光波導中工作的。
如果我們回憶前述中提到的，在幾何光波導中，利用「半透半反」鏡面陣列，可以實現 1D 擴瞳，如果我們將這個概念，轉移到衍射光波導裡，如圖3(a)所示，可以簡單地用入射光柵，來將光耦合入波導，然後用出射光柵代替鏡面陣列。
即像蛇一樣在波導裡面「游走」的全反射光線，在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時候，就有一部分光通過衍射，釋放出來進入眼睛，剩下的一部分光，繼續在波導中傳播，直到下一次打到波導表面的光柵上，不難理解 1D 擴瞳即可以實現了。
但是人們並不滿足於，在一個方向上(即沿雙眼瞳距的 X 方向)增大動眼框，既然光柵結構比傳統光學器件，能夠在更大的自由度上，操控光的特性，那麼我們何不在另一個方向上(即沿鼻梁的Y方向)，也實現擴瞳呢，這樣不只可以使得 AR 眼鏡，能夠接受更大範圍的瞳距，也可以對不同臉型、鼻梁高度的人群更有相容性。
用衍射光柵實現 2D 擴瞳的概念，十幾年前由位於芬蘭的 Nokia 研究中心的科學家 Dr. Tapani Levola 提出，並且給業內貢獻了許多有價值的論文，主要使用的是表面浮雕光柵(SRG)。
後來這部分 IP ，分別被 Microsoft 和 Vuzix 購買，或者獲得使用授權(license)，所以現在的 Hololens I 和 Vuzix Blade，用的都是類似的光柵結構和排布。如圖3(b)所示，另一個全像體光柵(VHG)的代表光學公司 Digilens，也是用類似的三區域光柵排布，來實現 2D 擴瞳。
可以看到當入射光柵(input grating)，將光耦合入波導後，會進入一個轉折光柵(fold/turn grating)的區域，這個區域內的光柵溝壑方向，與入射光柵呈一定角度，為了方便理解，我們假定它是 45 度角，那麼它就像一個 45 度的鏡子一樣，將 X 方向打來的光，反射一下變成沿 Y 方向傳播。
並且在這個轉向的過程中，由於全反射行進的光線，會與轉折光柵相遇好幾次，每一次都將一部分光轉 90 度，另一部分光繼續橫向前進，這就實現了類似圖3(a)的，在 X 方向的 1D 擴瞳，只不過擴瞳後的光，並沒有耦合出波導，而是繼續沿 Y 方向前進，進入第三個光柵區域 – 出射光柵 (output grating)。
出射光柵的結構與入射光柵類似，只不過面積要大很多，而且光柵溝壑的方向，與入射光柵垂直，因為它承擔著在 Y 方向擴瞳的重任，過程與圖 3(a)類似，只不過它接受的，是多個光束而非一個。我們假設單瞳(Pupil)的入射光，在經過轉折光柵後，擴展成 M x 1 個瞳(即一個 X 方向的 1D 陣列)，那麼在經過出射光柵後，就被擴展成了一個 M x N 的 2D 矩陣，其中 N 是光線在出射光柵區域，全反射的次數即擴瞳的個數。
用轉折光柵實現 2D 擴瞳，是一個比較直接，也是目前市面上主流產品如 Hololens I、 Vuzix Blade、Magic Leap One、 Digilens 等採取的方式，其中三個光柵區域的面積、形態、排布方式，可以根據眼鏡的光學參數要求，和外形設計來靈活調節。
另外一種實現 2D 擴瞳的方式，是直接使用 2D 光柵，即光柵在至少兩個方向上都有週期，比較直觀來講，就是單向「溝壑」變為柱狀陣列。
來自英國的衍射光波導公司 Wave Optics 就是採用的這種結構，如圖3(c)所示，從入射光柵(區域1)耦合進波導的光，直接進入區域 3，這個區域的 2D 柱狀陣列，可以同時將光線在 X 和 Y 兩個方向實現擴束，並且一邊傳播，一邊將一部分光耦合出來進入人眼。
可想而知這個 2D 光柵的設計是非常複雜的，因為在兼顧多個傳播方向的耦合效率，同時還要平衡每個出瞳的出光均勻性。
它的好處是只有兩個光柵區域，減少了光在傳播中的損耗，並且由於沒有了轉折光柵，出射光柵就可以在有限的玻璃鏡片上，佔據更大的面積，從而增大有效動眼框的範圍。
Wave Optics 40 度 FOV 的模組動眼框，可以達到 19 x 15 mm，是目前市面上的同類產品中最大的。
二、衍射光波導的工作原理
瞭解了衍射光柵的工作原理之後，我們來看一下它如何在光波導中工作的。
如果我們回憶前述中提到的，在幾何光波導中，利用「半透半反」鏡面陣列，可以實現 1D 擴瞳，如果我們將這個概念，轉移到衍射光波導裡，如圖3(a)所示，可以簡單地用入射光柵，來將光耦合入波導，然後用出射光柵代替鏡面陣列。
即像蛇一樣在波導裡面「游走」的全反射光線，在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時候，就有一部分光通過衍射，釋放出來進入眼睛，剩下的一部分光，繼續在波導中傳播，直到下一次打到波導表面的光柵上，不難理解 1D 擴瞳即可以實現了。
即像蛇一樣在波導裡面「游走」的全反射光線，在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時候，就有一部分光通過衍射，釋放出來進入眼睛，剩下的一部分光，繼續在波導中傳播，直到下一次打到波導表面的光柵上，不難理解 1D 擴瞳即可以實現了。
但是人們並不滿足於，在一個方向上(即沿雙眼瞳距的 X 方向)增大動眼框，既然光柵結構比傳統光學器件，能夠在更大的自由度上，操控光的特性，那麼我們何不在另一個方向上(即沿鼻梁的Y方向)，也實現擴瞳呢，這樣不只可以使得 AR 眼鏡，能夠接受更大範圍的瞳距，也可以對不同臉型、鼻梁高度的人群更有相容性。
用衍射光柵實現 2D 擴瞳的概念，十幾年前由位於芬蘭的 Nokia 研究中心的科學家 Dr. Tapani Levola 提出，並且給業內貢獻了許多有價值的論文，主要使用的是表面浮雕光柵(SRG)。
後來這部分 IP ，分別被 Microsoft 和 Vuzix 購買，或者獲得使用授權(license)，所以現在的 Hololens I 和 Vuzix Blade，用的都是類似的光柵結構和排布。如圖3(b)所示，另一個全像體光柵(VHG)的代表光學公司 Digilens，也是用類似的三區域光柵排布，來實現 2D 擴瞳。
可以看到當入射光柵(input grating)，將光耦合入波導後，會進入一個轉折光柵(fold/turn grating)的區域，這個區域內的光柵溝壑方向，與入射光柵呈一定角度，為了方便理解，我們假定它是 45 度角，那麼它就像一個 45 度的鏡子一樣，將 X 方向打來的光，反射一下變成沿 Y 方向傳播。
可以看到當入射光柵(input grating)，將光耦合入波導後，會進入一個轉折光柵(fold/turn grating)的區域，這個區域內的光柵溝壑方向，與入射光柵呈一定角度，為了方便理解，我們假定它是 45 度角，那麼它就像一個 45 度的鏡子一樣，將 X 方向打來的光，反射一下變成沿 Y 方向傳播。
並且在這個轉向的過程中，由於全反射行進的光線，會與轉折光柵相遇好幾次，每一次都將一部分光轉 90 度，另一部分光繼續橫向前進，這就實現了類似圖3(a)的，在 X 方向的 1D 擴瞳，只不過擴瞳後的光，並沒有耦合出波導，而是繼續沿 Y 方向前進，進入第三個光柵區域 – 出射光柵 (output grating)。
出射光柵的結構與入射光柵類似，只不過面積要大很多，而且光柵溝壑的方向，與入射光柵垂直，因為它承擔著在 Y 方向擴瞳的重任，過程與圖 3(a)類似，只不過它接受的，是多個光束而非一個。我們假設單瞳(Pupil)的入射光，在經過轉折光柵後，擴展成 M x 1 個瞳(即一個 X 方向的 1D 陣列)，那麼在經過出射光柵後，就被擴展成了一個 M x N 的 2D 矩陣，其中 N 是光線在出射光柵區域，全反射的次數即擴瞳的個數。
用轉折光柵實現 2D 擴瞳，是一個比較直接，也是目前市面上主流產品如 Hololens I、 Vuzix Blade、Magic Leap One、 Digilens 等採取的方式，其中三個光柵區域的面積、形態、排布方式，可以根據眼鏡的光學參數要求，和外形設計來靈活調節。
另外一種實現 2D 擴瞳的方式，是直接使用 2D 光柵，即光柵在至少兩個方向上都有週期，比較直觀來講，就是單向「溝壑」變為柱狀陣列。
來自英國的衍射光波導公司 Wave Optics 就是採用的這種結構，如圖3(c)所示，從入射光柵(區域1)耦合進波導的光，直接進入區域 3，這個區域的 2D 柱狀陣列，可以同時將光線在 X 和 Y 兩個方向實現擴束，並且一邊傳播，一邊將一部分光耦合出來進入人眼。
來自英國的衍射光波導公司 Wave Optics 就是採用的這種結構，如圖3(c)所示，從入射光柵(區域1)耦合進波導的光，直接進入區域 3，這個區域的 2D 柱狀陣列，可以同時將光線在 X 和 Y 兩個方向實現擴束，並且一邊傳播，一邊將一部分光耦合出來進入人眼。
可想而知這個 2D 光柵的設計是非常複雜的，因為在兼顧多個傳播方向的耦合效率，同時還要平衡每個出瞳的出光均勻性。
它的好處是只有兩個光柵區域，減少了光在傳播中的損耗，並且由於沒有了轉折光柵，出射光柵就可以在有限的玻璃鏡片上，佔據更大的面積，從而增大有效動眼框的範圍。
Wave Optics 40 度 FOV 的模組動眼框，可以達到 19 x 15 mm，是目前市面上的同類產品中最大的。
圖 3. 衍射光波導中的擴瞳技術: (a) 1D 擴瞳, (b) 利用轉折光柵實現的 2D 擴瞳， (c) 利用 2D 光柵實現的 2D 擴瞳。
三、衍射光波導的優缺點分析
衍射光波導技術，與幾何光波導相比，主要優勢在於光柵，在設計和生產上的靈活性，不論是利用傳統半導體微奈米，製造生產工藝的表面浮雕光柵，還是利用全像干涉技術製成的體光柵，都是在玻璃基底平面上，加鍍一層薄膜然後加工，不需要像幾何光波導中的玻璃切片，和粘合工藝，可量產性和良率要高很多。
另外，利用轉折光柵或者 2D 光柵，可以實現 2D 擴瞳，使得動眼框在鼻梁方向，也能覆蓋更多不同臉型的人群，給人體工程學設計，和優化使用這體驗，留了更大的容差空間。由於衍射波導在 Y 方向上，也實現了擴瞳，使得光機在 Y 方向的尺寸，也比幾何光波導的光機減小了。
在幾何光波導中，需要在鏡面陣列中的每個鏡面上，鍍不同 R/T 比的多層膜，來實現每個出瞳的出光均勻，需要非常繁冗的多步工藝。而對於衍射光柵來說，只需要改變光柵的設計參數，例如佔空比、光柵形狀等，將最終結構編輯到光刻機、電子束曝光機、或者全像干涉的掩膜(mask)裡，便可一步「寫」到光柵薄膜上，來實現多個出瞳的出光均勻。
然而，衍射光波導技術也有它的不足，主要來源於衍射元件本身，對於角度和顏色的高度選擇性，這在圖2中有所解釋。
首先需要在多個衍射級別的情況下，優化某一個方向上的衍射效率，從而降低光在其他衍射方向上的損耗。
拿表面浮雕光柵的入射光柵來說，圖3(a)中對稱的矩形光柵結構，衍射到左邊的光，並不會被收集傳播到眼睛裡，相當於浪費了一半的光。因此一般需要採用如圖1(b)中的傾斜光柵(slanted grating)，或者三角形的閃耀光柵(blazed grating)，使得往眼睛方向衍射的光耦合效率，達到最高。這種傾斜的表面浮雕光柵，在生產工藝上比傳統矩形光柵，要求更高。
然後就是如何對付色散問題，如圖2中提到的，同一個衍射光柵，對於不同的波長，會對應不同的衍射角度。
由於來自光機的是紅綠藍(RGB)三色，每個顏色包含不同的波長波段。當它們通過入射光柵，發生衍射後，如圖4(a)所示，假設我們優化的是， +1 級的衍射光即 T+1, 對於不同的波長衍射角 θ+1T 就會不同，即R＞G＞B。
由於這個角度的不同，光每完成一次全反射，所經歷的路程長度也會不同，紅色全反射的次數少於綠色，而藍色全反射次數最多。由於這個差異，圖4(a)中的光，在最終遇到出射光柵時(請看指向眼鏡的箭頭)，藍色會被耦合出 3 次(即出瞳擴成3個)，綠色 2 次，紅色 1 次，這會導致眼睛移動，到動眼框的不同位置，看到的 RGB 色彩比例是不均勻的。
另外，即使同一顏色的衍射效率，也會隨著入射角度的不同而浮動，這就導致在整個視場角(FOV)範圍內，紅綠藍三色光的分布比例也會不同，即出現所謂的「彩虹效應」。
為了改善色散問題，可以如圖4(b)所示將紅綠藍三色，分別耦合到三層波導裡面，每一層的衍射光柵，都只針對某一個顏色而優化，從而可以改善最終，在出瞳位置的顏色均勻性，減小彩虹效應。
但是由於 RGB LED 每個顏色內部，也不是單一的波長，而是覆蓋了一小段波長段，仍然會有輕微的彩虹效應存在，這是衍射光柵的物理特性導致的，色彩均勻性問題，只能透過設計不斷優化，但不能完全消除。
最近問世的 Hololens II ，則將 LED 光源，換成了光譜很窄的雷射光源，會極大地減小彩虹效應。為了使得眼鏡片更輕薄，市面上大部分產品，將紅綠色(RG)併入一層波導傳播。也有勇於探索的廠商，使用一些新型光柵設計，將 RGB 三色都併入一層波導，例如波導公司Dispelex，但目前全彩的 Demo只有 30 度左右 FOV。
總結一下，衍射這個物理過程本身，對於角度和波長的選擇性，導致了色散問題的存在，主要表現為 FOV 和動眼框內的顏色不均勻，即「彩虹效應」。
光柵設計優化過程中，對於所覆蓋顏色波段，和入射角(即FOV)範圍很難兼顧，如何用一層光柵，作用於 RGB 三色，並且能實現最大的 FOV 是業內面臨的挑戰。
三、衍射光波導的優缺點分析
衍射光波導技術，與幾何光波導相比，主要優勢在於光柵，在設計和生產上的靈活性，不論是利用傳統半導體微奈米，製造生產工藝的表面浮雕光柵，還是利用全像干涉技術製成的體光柵，都是在玻璃基底平面上，加鍍一層薄膜然後加工，不需要像幾何光波導中的玻璃切片，和粘合工藝，可量產性和良率要高很多。
另外，利用轉折光柵或者 2D 光柵，可以實現 2D 擴瞳，使得動眼框在鼻梁方向，也能覆蓋更多不同臉型的人群，給人體工程學設計，和優化使用這體驗，留了更大的容差空間。由於衍射波導在 Y 方向上，也實現了擴瞳，使得光機在 Y 方向的尺寸，也比幾何光波導的光機減小了。
在幾何光波導中，需要在鏡面陣列中的每個鏡面上，鍍不同 R/T 比的多層膜，來實現每個出瞳的出光均勻，需要非常繁冗的多步工藝。而對於衍射光柵來說，只需要改變光柵的設計參數，例如佔空比、光柵形狀等，將最終結構編輯到光刻機、電子束曝光機、或者全像干涉的掩膜(mask)裡，便可一步「寫」到光柵薄膜上，來實現多個出瞳的出光均勻。
然而，衍射光波導技術也有它的不足，主要來源於衍射元件本身，對於角度和顏色的高度選擇性，這在圖2中有所解釋。
首先需要在多個衍射級別的情況下，優化某一個方向上的衍射效率，從而降低光在其他衍射方向上的損耗。
拿表面浮雕光柵的入射光柵來說，圖3(a)中對稱的矩形光柵結構，衍射到左邊的光，並不會被收集傳播到眼睛裡，相當於浪費了一半的光。因此一般需要採用如圖1(b)中的傾斜光柵(slanted grating)，或者三角形的閃耀光柵(blazed grating)，使得往眼睛方向衍射的光耦合效率，達到最高。這種傾斜的表面浮雕光柵，在生產工藝上比傳統矩形光柵，要求更高。
然後就是如何對付色散問題，如圖2中提到的，同一個衍射光柵，對於不同的波長，會對應不同的衍射角度。
由於來自光機的是紅綠藍(RGB)三色，每個顏色包含不同的波長波段。當它們通過入射光柵，發生衍射後，如圖4(a)所示，假設我們優化的是， +1 級的衍射光即 T+1, 對於不同的波長衍射角 θ+1T 就會不同，即R＞G＞B。
由於這個角度的不同，光每完成一次全反射，所經歷的路程長度也會不同，紅色全反射的次數少於綠色，而藍色全反射次數最多。由於這個差異，圖4(a)中的光，在最終遇到出射光柵時(請看指向眼鏡的箭頭)，藍色會被耦合出 3 次(即出瞳擴成3個)，綠色 2 次，紅色 1 次，這會導致眼睛移動，到動眼框的不同位置，看到的 RGB 色彩比例是不均勻的。
另外，即使同一顏色的衍射效率，也會隨著入射角度的不同而浮動，這就導致在整個視場角(FOV)範圍內，紅綠藍三色光的分布比例也會不同，即出現所謂的「彩虹效應」。
為了改善色散問題，可以如圖4(b)所示將紅綠藍三色，分別耦合到三層波導裡面，每一層的衍射光柵，都只針對某一個顏色而優化，從而可以改善最終，在出瞳位置的顏色均勻性，減小彩虹效應。
但是由於 RGB LED 每個顏色內部，也不是單一的波長，而是覆蓋了一小段波長段，仍然會有輕微的彩虹效應存在，這是衍射光柵的物理特性導致的，色彩均勻性問題，只能透過設計不斷優化，但不能完全消除。
最近問世的 Hololens II ，則將 LED 光源，換成了光譜很窄的雷射光源，會極大地減小彩虹效應。為了使得眼鏡片更輕薄，市面上大部分產品，將紅綠色(RG)併入一層波導傳播。也有勇於探索的廠商，使用一些新型光柵設計，將 RGB 三色都併入一層波導，例如波導公司Dispelex，但目前全彩的 Demo只有 30 度左右 FOV。
總結一下，衍射這個物理過程本身，對於角度和波長的選擇性，導致了色散問題的存在，主要表現為 FOV 和動眼框內的顏色不均勻，即「彩虹效應」。
光柵設計優化過程中，對於所覆蓋顏色波段，和入射角(即FOV)範圍很難兼顧，如何用一層光柵，作用於 RGB 三色，並且能實現最大的 FOV 是業內面臨的挑戰。
光柵設計優化過程中，對於所覆蓋顏色波段，和入射角(即FOV)範圍很難兼顧，如何用一層光柵，作用於 RGB 三色，並且能實現最大的 FOV 是業內面臨的挑戰。
图 4. 衍射光波導中的色散問題: (a) 單層光波導和光柵，會引起出射光的「彩虹效應」, (b) 多層光波導和光柵，提高了出射光的顏色均勻性。
四、衍射光波導的分類
目前表面浮雕光柵(SRG)佔，市場上衍射光波導 AR 眼鏡產品的大多數，得益於傳統光通信行業中，設計和製造的技術累積。
它的設計門檻比傳統光學要高一些，主要在於衍射光柵，由於結構進入微奈米量級，需要用到物理光學的仿真工具，然後光進入波導後的光線追蹤(ray tracing)部分，又需要和傳統的幾何光學仿真工具結合起來。
它的製造過程，先是透過傳統半導體的微奈米加工工藝(Micro/Nano-fabrication)，在矽基底上，過電子束曝光(Electron Beam Lithography)和離子刻蝕(Ion Beam Etching)，製成光柵的壓印模具(Master Stamp)，這個模具可以透過奈米壓印技術(Nanoimprint Lithography)，壓印出成千上萬個光柵。
奈米壓印需要先在玻璃基底(即波導片)上，均勻塗上一層有機樹脂(Resin)，然後拿壓印模具蓋下來，過程很像「權力遊戲」裡，古時候寄信時用的封蠟戳，只不過這裡我們需要用紫外線照射，使 Resin 固化，固化後再把「戳」提起來，波導上的衍射光柵就形成啦。
這種 Resin 一般是在可見光波段，透明度很高的材料，而且也需要與波導玻璃，類似的高折射率指數(index)。表面浮雕光柵已經被 Microsoft、Vuzix、Magic Leap 等產品的問世，證明加工技術的高量產性，只不過精度和速度，都可靠的電子束曝光，和奈米壓印的儀器，都價格不菲，並且需要放置在專業的超淨間裡，導致有條件建立該產線的廠商屈指可數。
在做全像體光柵(VHG)波導方案的廠家比較少，包括十年前就為美國軍工做 AR 頭盔的 Digilens，曾經出過單色 AR 眼鏡的 Sony，還有由於被蘋果收購，而變得很神秘的 Akonia，還有一些專攻體光柵設計和製造的廠家。
他們所用的材料一般都是自家的配方，基本是感光樹脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或，者兩者混合。製作過程也是先將一層有機薄膜，塗在玻璃基底上，然後透過兩個雷射光束，產生干涉條紋對薄膜進行曝光，明暗干涉條紋會引起材料不同的曝光特性，導致薄膜內出現了折射率差(Δn, index contrast)，即生成了衍射光柵必備的週期性。
由於體光柵由於受到可利用材料的限制，能夠實現的 Δn 有限，導致它目前在 FOV、光效率、清晰度等方面，都還未達到與表面浮雕光柵同等的水準。但是由於它在設計壁壘、工藝難度和製造成本上，都有一定優勢，業內對這個方向的探索從未停歇。
五、總結
好了，說了這麼多，讓我們比較下光波導的各個技術方案，來看看究竟花落誰家，為了方便大家橫向比較，我們總結了一個比較詳細的表格。
四、衍射光波導的分類
目前表面浮雕光柵(SRG)佔，市場上衍射光波導 AR 眼鏡產品的大多數，得益於傳統光通信行業中，設計和製造的技術累積。
它的設計門檻比傳統光學要高一些，主要在於衍射光柵，由於結構進入微奈米量級，需要用到物理光學的仿真工具，然後光進入波導後的光線追蹤(ray tracing)部分，又需要和傳統的幾何光學仿真工具結合起來。
它的製造過程，先是透過傳統半導體的微奈米加工工藝(Micro/Nano-fabrication)，在矽基底上，過電子束曝光(Electron Beam Lithography)和離子刻蝕(Ion Beam Etching)，製成光柵的壓印模具(Master Stamp)，這個模具可以透過奈米壓印技術(Nanoimprint Lithography)，壓印出成千上萬個光柵。
奈米壓印需要先在玻璃基底(即波導片)上，均勻塗上一層有機樹脂(Resin)，然後拿壓印模具蓋下來，過程很像「權力遊戲」裡，古時候寄信時用的封蠟戳，只不過這裡我們需要用紫外線照射，使 Resin 固化，固化後再把「戳」提起來，波導上的衍射光柵就形成啦。
這種 Resin 一般是在可見光波段，透明度很高的材料，而且也需要與波導玻璃，類似的高折射率指數(index)。表面浮雕光柵已經被 Microsoft、Vuzix、Magic Leap 等產品的問世，證明加工技術的高量產性，只不過精度和速度，都可靠的電子束曝光，和奈米壓印的儀器，都價格不菲，並且需要放置在專業的超淨間裡，導致有條件建立該產線的廠商屈指可數。
在做全像體光柵(VHG)波導方案的廠家比較少，包括十年前就為美國軍工做 AR 頭盔的 Digilens，曾經出過單色 AR 眼鏡的 Sony，還有由於被蘋果收購，而變得很神秘的 Akonia，還有一些專攻體光柵設計和製造的廠家。
他們所用的材料一般都是自家的配方，基本是感光樹脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或，者兩者混合。製作過程也是先將一層有機薄膜，塗在玻璃基底上，然後透過兩個雷射光束，產生干涉條紋對薄膜進行曝光，明暗干涉條紋會引起材料不同的曝光特性，導致薄膜內出現了折射率差(Δn, index contrast)，即生成了衍射光柵必備的週期性。
由於體光柵由於受到可利用材料的限制，能夠實現的 Δn 有限，導致它目前在 FOV、光效率、清晰度等方面，都還未達到與表面浮雕光柵同等的水準。但是由於它在設計壁壘、工藝難度和製造成本上，都有一定優勢，業內對這個方向的探索從未停歇。
五、總結
好了，說了這麼多，讓我們比較下光波導的各個技術方案，來看看究竟花落誰家，為了方便大家橫向比較，我們總結了一個比較詳細的表格。
其中幾何光波導，基於傳統光學的設計理念和製造工藝，並且實現了一維擴瞳。它的龍頭老大是以色列公司 Lumus，目前 Demo 了 55 度 FOV，成像亮度和品質都非常好。
但遺憾的是，幾何光波導的製造工藝非常繁冗，導致最終的良率堪憂，由於市面上還沒有出現，達到消費級別的 AR 眼鏡產品，它的可量產性還是一個未知數。
但遺憾的是，幾何光波導的製造工藝非常繁冗，導致最終的良率堪憂，由於市面上還沒有出現，達到消費級別的 AR 眼鏡產品，它的可量產性還是一個未知數。
衍射光波導，得益於微奈米結構和「平面光學」的技術發展，能夠實現 2D 擴瞳。其中主流的表面浮雕光柵，被多家明星公司使用，並用消費級產品證明了它的可量產性，其中 Hololens II 達到了 52 度 FOV。
另外一種全像體光柵也在平行發展中，如果能夠在材料上突破瓶頸，以提升光學參數，未來量產也很有希望。我們認為，衍射光波導具體說表面浮雕光柵方案，是目前 AR 眼鏡走向消費市場的不二之選。
但是由於衍射光柵設計門檻高和「彩虹效應」的存在，做出理想的AR眼鏡仍然任重道遠，需要業內各個產業鏈的共同努力。
作者介紹：李琨，中國浙江大學光電系本科畢業，美國加州伯克利大學電子工程系博士畢業，主要研究方向，包括光學成像系統、光電子器件、半導體雷射器和奈米技術等。現就職位於美國舊金山灣區的 Rokid R-lab，擔任光學研究科學家和多個項目負責人。
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