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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 HoloLens2、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？
Rokid R－lab光學研究科學家、美國加州伯克萊大學電子工程系博士李琨為您娓娓道來。
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），透過「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，即光在波導中像只游蛇一樣，透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） 傳輸媒介即波導材料，需要具備比周圍媒介的折射率（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 – 透過一維和二維擴瞳技術，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，利於設計迭代 – 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，研製制專門的高折射率，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）和以全像干涉技術，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，以後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，也就是幾何光波導里的「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，從而重複上面的「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「傅利葉面」，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，都會影響到成像的品質。
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。
在上一篇文章中，我們介紹了光波導的概念，及與其他 AR 眼鏡光學方案的比較，然後重點分析了幾何光波導 （Geometric Waveguide） 的工作原理。
這篇文章，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，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里，有條件建立該產線的廠商屈指可數。
下面，就讓我們透過這篇文章，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） 衍射式光波導和全像體光柵的原理示意圖。
本文中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）」。
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。
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，通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，這在之前有分析過。
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） 全像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。
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。
如果我們回憶之前提到的，在幾何光波導中利用「半透半反」鏡面陣列可以實現一維擴瞳，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，透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，不難理解一維擴瞳即可以實現了。
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，或者獲得使用執照（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 方向的一維擴瞳，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 方向的一維陣列），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，比較直接來講，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。
圖 3． 衍射光波導中的擴瞳技術：
（a）一維擴瞳，
（b） 利用轉折光柵實現的 2D 擴瞳，
（c） 利用二維光柵實現的 2D 擴瞳。
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者體驗，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。當它們透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。
圖 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。
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），在矽基底上透過電子束曝光（Electron Beam Lithography）和離子刻蝕（Ion Beam Etching），製成光柵的壓印模具（Master Stamp），這個模具可以通過奈米壓印技術（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，證明瞭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平。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。
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，以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。
衍射光波導得益於微奈米結構和「平面光學」的技術發展，能夠實現二維擴瞳。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瞭它的可量產性，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，Rokid AR 團隊也致力與大家一起探索 AR 眼鏡這一核心技術的突破與應用，以期為使用者帶來真正輕薄便攜、體驗優秀的 AR 眼鏡。
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