AR近眼顯示中的光波導| AI 研習社 158期大講堂總結

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)AI研習社按：光波導顯示技術是增強現實（AR）領域最具挑戰性、最複雜的難題之一，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。目前諸如微軟 HoloLens 和 Magic Leap One 等多家明星 AR 產品均採用光波導顯示技術。在本次公開課中，講者將深度解讀光波導的工作原理及不同光波導方案的優缺點分析，同時分享 Rokid R-Lab 團隊在 AR 眼鏡領域的技術探索與應用。

 回放地址：http://www.mooc.ai/open/course/675?=from%20leiphone0726

分享嘉賓：李琨，Rokid R-Lab 光學研究科學家，美國加州伯克利大學電子工程系博士，主要研究方向包括光學成像系統、光電子器件、半導體雷射器和納米技術等。

 

分享主題：AR近眼顯示中的光波導

 

分享提綱：

 

雷鋒網AI研習社將其分享內容整理如下：

大家晚上好，我是來自Rokid的Linda,很高興AI研習社今天給我這個機會，能夠和大家一起探討在AR眼鏡的光學系統中最近比較熱的一個詞——光波導。簡單介紹一下Rokid，是致力於AI人機互動的創業公司，代表產品有大家熟悉的智能語音產品若琪，以及AR眼鏡Rokid Glass 和 Rokid Vision。

 

今天要講到的光波導是衍射型的光波導，被用在Rokid Vision之中，如果大家有機會在展會上遇到，可以體驗一下。

今天我們來講光波導，它是AR近眼顯示系統的一個核心器件，那麼是什麼組成了AR近眼顯示系統呢？因為AR和VR是比較相近的，都是屬於近眼顯示系統如何在離眼睛很近的位置顯示圖像，通常情況下都是由一系列光學成像的稜鏡等一些器件將微型顯示屏上的像素投到很遠的地方並形成一個虛擬的圖像，然後再投到人的眼睛裡，人眼看上去就像是真實的物體一樣。與VR系統不同的是，AR顯示系統需要透視，在看到虛像的同時要看到外界真實的世界，就多了一個光學組合器，將虛像和外界的光和在一起之後投在眼睛裡。目前市面上的AR眼鏡基本都是各種不同的微型顯示屏和不同形式的光學組合器。在光學組合器裡，有帶optical power的和不帶optical power的，今天所說的光波導就不屬於成像系統的一部分，是獨立存在的，只負責把像傳遞到人們眼前，不對像做任何改變。

  

市面上主要的光學方案可以簡單分一下類，基本上是各種微型顯示屏和各種光學組合器的這樣一個組合，如圖所示：

  

今天講的光波導是目前綜合看來AR眼鏡走上消費市場最好的一個選擇，也是應運而生的一個光學元件，它的發明一開始不是為了AR眼鏡，但是後面卻歪打正著，特別適合AR眼鏡。

 

今天主要介紹一下光波導是怎樣一個工作原理，與其他的AR眼鏡光學方案相比有什麼優點和不足。光波導主要分為兩大類，分別是幾何光波導和衍射光波導。

  

先來看一下光波導到底是什麼，它其實不是一個新的概念，最早是說如何將光在一個介質裡面百分之百地保留住而沒有漏光，我們比較熟悉的光通信傳導的光纖、海底的光纜等都是用這個原理，傳輸的介質要滿足兩個條件，第一個條件就是圖中的折射率n,n1要大於n2,第二個條件就是光進入波導的時候入射角需要大於臨界角，臨界角就是通過n1和n2之間的關係計算出來的。如果滿足了這兩個條件，光在達到表面穿梭時都會將近百分百地反射回來。在AR眼鏡中的光波導基本上說的是玻璃的基底，為了達到更好的效果，一般都是用小於1毫米的基底。光波導其實就是一個玻璃基底，可以使一定條件打進去的光產生全反射，就能實現我們想要的將光從光機搬運到人眼睛前面的任務。

  

在光波導產生之後，到底為AR眼鏡、AR頭盔做出什麼樣的貢獻？有什麼好處？主要它是實現了把眼睛周圍很龐大的光機搬到旁邊去，比如在側面、額頭等，可以不擋住視線，通過光波導這樣一個傳輸的媒介，再把光帶到眼睛前面來。另外一個比較大的優點就是，可以增大動眼眶（戴上眼鏡之後，眼睛在系統中心點周圍移動多大的x和y的範圍仍然能夠清晰地看到圖像）的範圍。因為光波導是動用了擴瞳技術，所以可以增大動眼眶的範圍，在做產品時更加容易適應所有的人群。第三個優點就是更加有利於外觀的改善。第四個優點就是提供了「真」三維圖像的可能性。當然也有一些不足，比如光學效率相對較低，幾何光波導來說製造工藝流程比較繁冗複雜，對於衍射波導來說會有一些色散導致的彩虹現象以及色彩不均勻，而且設計門檻要高一些。

  

下面我們來看一下光波導的分類，第一類就是幾何光波導，是純幾何光學的形式，光的入波導和出波導都是通過一些鏡面或者稜鏡實現的。第二類就是衍射光波導，衍射光波導又分為表面浮雕光柵和全息體光柵，表面浮雕光柵是通過在玻璃的表面刻設一些溝壑來形成不同的n的對比度，全息體光柵就是通過雷射幹涉條紋在物體內部構成的變化來形成折射差。

  

接下來看一下幾何光波導的工作原理以及一維擴瞳的發明，幾何光波導是怎樣工作的呢？首先需要有一個光機，成像之後將像耦合到玻璃鏡片裡面，只要反射的角度達到全反射的條件，就可以進行全反射繼續往下走，會遇到一系列比較特殊的鏡面陣列，如下圖所示：

  

由於幾何光波導是通過一系列鏡面陣列，在生產和設計達到了百分百匹配的前提下，其成像是無色散的。然後一維擴瞳也解決了不同人群瞳距不同的問題，使得產品能夠更加走向消費級。再一個光波導玻璃的厚度也是非常小的，非常輕薄，並且設計也不是很有挑戰。它的不足在於很多我們看到的真實產品中，總有一些比如說黑條紋、鬼影、雜光甚至看到一些畸變的現象，主要還是生產沒有做到設計想要的程度。目前市面上還沒有一個產品達到足夠的量來證明幾何光波導的量產性，所以在進行方案選擇的時候這是幾何光波導最令人堪憂的地方。

  

下面來看一下衍射光波導，相比幾何光波導有什麼優缺點以及它自己的分類。來看一下衍射光波導的核心，就是一個衍射光柵，衍射光柵簡單來說就是一個具有周期結構的光學元件，周期可以表現為下圖中左邊那種形式， 可以是光波導表面做一層凹凸不平的溝壑，也可以是中間這種形式，光波導表面塗一層材料，用材料內部化學物理性質的變化來引起周期，周期主要是指折射率的周期。在表面浮雕光柵裡體現為材料和空氣之間的周期性變化，在全息體光柵中Δn是由於自身材料受幹涉條紋光照程度的不同引起的n的變化情況。最右這個圖上面是衍射光柵，下面是普通的分光稜鏡，分光稜鏡是通過折射來分光的，上面是通過衍射來分光的，不同之處在於除了把顏色分開之後衍射光柵還把光分成了不同的級，在每一個級裡面還分了不同的顏色，所以可以看到多個彩虹，而分光稜鏡只看到了一束彩虹。後面可以看到由於分光的特徵它有一些優點，但同時也帶來了一些限制。

 

我們來看一下一個簡單的結構，就是幾何光波導一維擴瞳這個功能完全用衍射光柵來代替，如下圖所示：

  

在一維光柵的基礎上，又出現了一維光柵二維擴瞳這個概念，如下圖。這種方案除了在左右眼睛橫向之間的距離增大以外，動眼眶在縱向也增大了，這樣就可以適用於更多臉型的人群。

  

當然也可以直接用二維光柵來進行二維擴瞳，如圖所示：

  

衍射光波導有一個很大的優點，就是可以實現二維擴瞳並且設計上有很大的自由度，沒有幾何光波導那麼複雜的工藝。衍射光波導中一個比較大的缺點就是它的色散問題，會導致動眼眶內顏色不均勻。針對這個問題，業內主流的解決辦法就是用多層的光波導，但是也不能完全解決。另外一個問題就是彩虹效應，這主要是由於衍射光柵對於不同的入射角度衍射效率不同。綜合這兩個，就是衍射光波導中的色散問題。

  

最後講一下衍射光柵分類，如圖所示：

  

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積累。

 

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納米量級，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。

 

它的製造過程先是通過傳統半導體的微納米加工工藝(Micro/Nano-fabrication)，在矽基底上通過電子束曝光(Electron Beam Lithography)和離子刻蝕(Ion Beam Etching)製成光柵的壓印模具(Master Stamp)，這個模具可以通過納米壓印技術(Nanoimprint Lithography)壓印出成千上萬個光柵。

 

表面浮雕光柵已經被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等產品的問世證明了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納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，導致國內有條件建立該產線的廠商屈指可數。

 

在做全息體光柵(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。

 

由於全息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。

 

最後我們來總結一下，光波導作為AR眼鏡中應運而生的一個光學組合器的選擇，本身不帶任何的optical power，由於它的輕薄能擴瞳使得動眼眶增大這些優點，我們認為它是目前AR眼鏡走向消費市場的選擇。

但是由於光柵設計門檻高和「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，以期為用戶帶來真正輕薄便攜、體驗優秀的AR眼鏡。

  

今天的分享就到這裡，謝謝大家。

 

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