幾何陣列波導(dǎo)由陣列排布的反射或折射棱鏡組成。

陣列波導(dǎo)的耦入?yún)^(qū)域?qū)D像耦入進(jìn)波導(dǎo)后，通過(guò)全內(nèi)反射連續(xù)傳輸，當(dāng)圖像入射到部分反部分透射鏡面時(shí)，一部分被反射進(jìn)入人眼，一部分透射后繼續(xù)傳輸，直至遇到下一個(gè)鏡面被部分反射，部分透射繼續(xù)傳輸，直至所有光全部反射進(jìn)入人眼。

 這種“反射-折射”的重復(fù)過(guò)程可以調(diào)整出瞳均勻性，且實(shí)現(xiàn)較大的動(dòng)眼框范圍。

由于幾何陣列波導(dǎo)基于傳統(tǒng)的折反射光學(xué)原理，不存在衍射帶來(lái)的色散問(wèn)題，可以做到接近Birdbath的圖像質(zhì)量、顏色均勻度，光效可達(dá)10%以上，具有高分辨率、全彩顯示、超薄、大視場(chǎng)角和大Eyebox等優(yōu)點(diǎn)。

幾何陣列波導(dǎo)的主要難點(diǎn)在于2D擴(kuò)瞳波導(dǎo)的設(shè)計(jì)和實(shí)際量產(chǎn)工藝良率的控制。

在2021年之前，產(chǎn)業(yè)界只能制造出1D擴(kuò)瞳陣列波導(dǎo)，這類1D陣列波導(dǎo)需要的光引擎體積較大，不適合AR設(shè)備的微型化。

隨著制造工藝的發(fā)展，Lumus、理湃光晶、瓏璟光電等國(guó)內(nèi)外廠家先后攻克了2D陣列波導(dǎo)技術(shù)研發(fā)和工藝制備，實(shí)現(xiàn)了水平和垂直雙向出瞳擴(kuò)展，可顯著降低光引擎的體積，同時(shí)能夠進(jìn)一步增大視場(chǎng)角至50°以上。

但2D陣列波導(dǎo)的量產(chǎn)工藝對(duì)光學(xué)加工精度和一致性要求更高，導(dǎo)致其成本也更高。

低成本、高量產(chǎn)良率的2D陣列波導(dǎo)是這些廠商共同努力的方向。

因幾何陣列光波導(dǎo)的專利主要被Lumus為代表的國(guó)外公司牢牢把控，國(guó)內(nèi)從事幾何陣列光波導(dǎo)的生產(chǎn)廠家需獲得專利授權(quán)或獨(dú)立構(gòu)建專利池來(lái)突破專利封鎖。

目前國(guó)內(nèi)主要有理湃光晶、瓏璟光電和靈犀微光等為數(shù)不多的幾家廠家可進(jìn)行幾何陣列波導(dǎo)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。

理湃光晶的2D陣列波導(dǎo)型號(hào)為G3-E，搭配CS-LCoS光學(xué)引擎，該模組的視場(chǎng)角為40~70°，透光率超過(guò)80%，厚度小于1.5mm，實(shí)際圖像顯示效果如下圖3所示。

從下圖可以看出，陣列波導(dǎo)的圖像質(zhì)量遠(yuǎn)高于衍射波導(dǎo)。

衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)由微型顯示屏、投影準(zhǔn)直系統(tǒng)和集成耦入/耦出光柵的平面波導(dǎo)元件組成。

如下圖4所示，投影光學(xué)系統(tǒng)將微型顯示屏發(fā)出的光準(zhǔn)直為平行光后，經(jīng)耦入?yún)^(qū)域耦入到波導(dǎo)中，以全內(nèi)反射形式傳播，經(jīng)過(guò)多次全內(nèi)反射后經(jīng)耦出區(qū)域從波導(dǎo)中衍射出來(lái)，進(jìn)入人眼。

根據(jù)耦入/耦出區(qū)域使用的光柵類型不同，衍射光波導(dǎo)可分為三種：表面浮雕光柵（SRG）、體全息光柵（VHG）和偏振體全息光柵（PVG）波導(dǎo)。

SRG波導(dǎo)的耦入和耦出區(qū)域都是表面浮雕光柵，光在耦入和耦出區(qū)域的傳播角度取決于光柵方程，光柵的衍射效率通過(guò)嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）來(lái)計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化光柵的周期、槽深、占空比和傾角等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)特定級(jí)次的高衍射效率。

根據(jù)光柵維度的不同，SRG光波導(dǎo)又可分為1D SRG波導(dǎo)和2D SRG波導(dǎo)。

1D SRG波導(dǎo)的耦入和耦出區(qū)域的光柵只有在一個(gè)方向上具有周期性結(jié)構(gòu)，在另一個(gè)方向上無(wú)限延伸。

2D SRG波導(dǎo)的耦入和耦出區(qū)域的光柵在兩個(gè)方向上都具有不同的周期結(jié)構(gòu)。

常見(jiàn)的1D光柵有矩形光柵、閃耀光柵、梯形光柵和傾斜光柵等，2D光柵有圓柱型光柵等。

目前，SRG光波導(dǎo)存在彩色均勻性、大視場(chǎng)角和能量利用率低三大技術(shù)難點(diǎn)。

由光柵方程可知，不同波長(zhǎng)的光，其衍射角度是不同的，單片光柵很難耦入多色光，需要多片光柵，因此，為實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，SRG衍射波導(dǎo)的發(fā)展經(jīng)歷了從三層堆疊到雙層，再到單層的過(guò)程。

HoloLens 1 采用的是三層波導(dǎo)堆疊實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，每層波導(dǎo)之間有空氣間隙來(lái)保證不同層傳輸不同顏色的光。

這種波導(dǎo)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是三層波導(dǎo)疊加導(dǎo)致波導(dǎo)厚度較厚、重量較重，且視場(chǎng)角只有34°。 

HoloLens 2 采用雙層蝶形波導(dǎo)堆疊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，一層傳輸RG，另一層傳輸BG，視場(chǎng)角可達(dá)52°。

但該衍射波導(dǎo)的實(shí)際顯示效果相比于2D陣列波導(dǎo)仍有一定差距，尤其是色散、圖像均勻性等問(wèn)題。

Dispelix一直致力于在單層波導(dǎo)片上實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，目前已有產(chǎn)品Selva實(shí)現(xiàn)了單片波導(dǎo)全彩色顯示，視場(chǎng)角可達(dá)50°，厚度僅為0.8mm，重量約為8g。

在單層波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)全彩色、大視場(chǎng)角的波導(dǎo)設(shè)計(jì)是SRG波導(dǎo)的發(fā)展方向。

衍射光波導(dǎo)的視場(chǎng)角取決于基底/光刻膠材料的折射率，折射率越高，全內(nèi)反射角度越小，對(duì)應(yīng)波導(dǎo)的視場(chǎng)角越大。

但基底/光刻膠材料的折射率有上限，一般可達(dá)2.0左右，因此單純依賴選用高折射率的材料來(lái)增大視場(chǎng)角也是有局限的。

另一種可以增大視場(chǎng)角的方法是合理設(shè)計(jì)光柵的結(jié)構(gòu)。

常規(guī)波導(dǎo)片實(shí)現(xiàn)30°視場(chǎng)角，一般由三個(gè)1D光柵組成即可；若將波導(dǎo)的視場(chǎng)角擴(kuò)大到50°，可采用蝶形設(shè)計(jì)，在耦入?yún)^(qū)域采用2D光柵；若想要進(jìn)一步擴(kuò)大波導(dǎo)的視場(chǎng)角至50°以上，就需采用兩個(gè)2D光柵的設(shè)計(jì)。

人的瞳孔大約4mm左右，考慮到人眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)、不同人群的臉型和瞳間距等特征，為保證人眼在合適的眼動(dòng)框范圍內(nèi)都能觀察到清晰的圖像，AR眼鏡的Eyebox通常需達(dá)到12mm×10mm以上。

因此，SRG光波導(dǎo)需在水平和垂直方向上實(shí)現(xiàn)出瞳擴(kuò)展，這就需要光線在耦出區(qū)域進(jìn)行多次衍射和全內(nèi)反射傳輸，這會(huì)導(dǎo)致光損耗很高。

此外，由于受限于光刻、納米壓印等制備工藝的精度，很難制備出非常精準(zhǔn)的微納結(jié)構(gòu)，其表面粗糙度也會(huì)導(dǎo)致光損耗，從而降低其衍射效率。

目前行業(yè)內(nèi)SRG光波導(dǎo)的衍射效率只有不到1%。

與此同時(shí)，由于衍射元件會(huì)形成多級(jí)次的衍射，在光波導(dǎo)顯示鏡片“外側(cè)”也會(huì)有其他級(jí)次的衍射能量，從而呈現(xiàn)出“外側(cè)漏光”的現(xiàn)象，SRG波導(dǎo)的正面漏光可達(dá)40%左右，會(huì)造成一定程度的信息泄露，不利于隱私保護(hù)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)暫無(wú)明確的解決方案。

VHG相比于SRG具有更高的衍射效率，理論上在滿足布拉格條件時(shí)，VHG的衍射效率可達(dá)到100%，同時(shí)可減少正面漏光的現(xiàn)象，并且無(wú)需復(fù)雜的光刻或納米壓印等工藝流程，只需要自動(dòng)化曝光即可，生產(chǎn)速度更快，量產(chǎn)成本更低。

DigiLens在自研體全息材料方面具有深厚的積累，采用其專有的光敏聚合物和PDLC材料，基于可切換布拉格光柵（SBG）的技術(shù)方案，推出了雙層全彩體全息光波導(dǎo)。

該款波導(dǎo)由平行玻璃板作為電極，中間含有光聚合物和液晶材料，通過(guò)改變施加的電壓來(lái)改變液晶分子的方向，從而實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制和衍射效率控制。

其Design v1產(chǎn)品如下圖所示，視場(chǎng)角為50°，透明度超過(guò)80%，光效超過(guò)325nits/lm。

PVG光波導(dǎo)的耦入/耦出區(qū)域是偏振體全息光柵。傳統(tǒng)體全息光柵VHG利用的是各向同性介質(zhì)，而偏振體全息光柵PVG的介質(zhì)是各向異性的，并且呈現(xiàn)一種傾斜的3D螺旋結(jié)構(gòu)，如下圖9所示。

PVG在x方向和y方向上均具有周期性，周期分別記為Λx和Λy。

在x方向的周期是依靠對(duì)取向材料進(jìn)行曝光得到的，取向材料上的取向圖案與PB相位是一致的，其光軸沿x方向繞z軸旋轉(zhuǎn)，與z軸的夾角（即方向角）記作α。α從0到Π的連續(xù)變化在x軸所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地，即PVG介質(zhì)的橫向周期Λx。

在y方向的周期來(lái)自于液晶分子在y方向上的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)將手性材料添加到液晶材料中，液晶材料的光軸會(huì)在手性材料的作用下沿y軸方向繞z軸旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生y方向的周期性旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

PVG技術(shù)比較前沿，目前廣受學(xué)術(shù)界科研工作者的關(guān)注，產(chǎn)業(yè)界除了Meta、Microsoft等國(guó)際公司在該方向有專利布局和概念性產(chǎn)品推出外，國(guó)內(nèi)主要有南京平行視界專注該方向的產(chǎn)品研究，其技術(shù)孵化源于東南大學(xué)顯示技術(shù)研究中心張宇寧教授團(tuán)隊(duì)。

下圖為該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的PVG波導(dǎo)樣品，采用雙層方案，一層波導(dǎo)片傳輸BG，另一層波導(dǎo)片傳輸R，全彩色顯示的視場(chǎng)角可達(dá)35°，衍射效率均超過(guò)80%。

該產(chǎn)品目前僅處于原型樣機(jī)階段，能否通過(guò)小批試產(chǎn)，達(dá)到NPI（New Product Introduction，新產(chǎn)品導(dǎo)入）階段，進(jìn)行量產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化尚需驗(yàn)證。

傳統(tǒng)光學(xué)方案和波導(dǎo)光學(xué)方案無(wú)論采用怎樣的結(jié)構(gòu)形式，本質(zhì)上仍是一個(gè)目鏡系統(tǒng)，將顯示屏輸出的圖像變成放大、拉遠(yuǎn)的虛像，再由人眼聚焦在視網(wǎng)膜上。

而全息光學(xué)元件方案是將人眼也視為系統(tǒng)的組成部分，基于Maxwell觀察法的原理，采用LBS+HOE的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜投影顯示。

該方案也曾被行業(yè)眾多公司認(rèn)為是全天候消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的最佳硬件解決方案，國(guó)際知名廠商如ST、OSRAM、Schott、Dispelix等牽頭成立了激光掃描聯(lián)盟LaSAR致力于共同推動(dòng)該方案的產(chǎn)品研發(fā)與商業(yè)化。

如下圖11所示為典型產(chǎn)品North Focal的示意圖和其工作原理圖。

激光器發(fā)出的細(xì)光束經(jīng)MEMS振鏡掃描調(diào)試后，經(jīng)HOE布拉格衍射后透過(guò)人眼的晶狀體中心，在視網(wǎng)膜處成像。

該視網(wǎng)膜成像由于是激光束直接作用于視網(wǎng)膜，當(dāng)激光束瞄準(zhǔn)并直接穿過(guò)眼睛瞳孔時(shí)，用戶才可觀察到清晰的圖像，這也導(dǎo)致AR眼鏡的Eyebox很小。

當(dāng)然針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，學(xué)術(shù)界也有許多解決方案，比如引入微透鏡陣列或眼動(dòng)追蹤功能等，但整體技術(shù)方案都還不夠成熟。

該方案中的核心器件是HOE，HOE是在感光材料通過(guò)物光和參考光的雙光束干涉原理曝光制備生成的，記錄在HOE中的體全息圖可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光和重定向功能，理論上其衍射效率可達(dá)到100%。（HOE更多原理介紹詳見(jiàn)公眾號(hào)前期文章《舊識(shí)新解！未來(lái)之光全息光學(xué)元件助力AR顯示》）

目前單色的HOE制備工藝比較成熟，如杭州光粒在2021年新推出的基于樹脂的單色全息智能泳鏡產(chǎn)品，視場(chǎng)角在25°左右，透過(guò)率可達(dá)78%。

但彩色的HOE因存在顏色均勻性、RGB通道串?dāng)_、鬼像等問(wèn)題，對(duì)光路設(shè)計(jì)和制備工藝要求較高，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，產(chǎn)業(yè)界尚未有成熟產(chǎn)品推出。

總結(jié)

不同公司的著力點(diǎn)和戰(zhàn)略目標(biāo)不同，最終哪種解決方案會(huì)成為AR眼鏡產(chǎn)品化的終極方案，獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，還是相當(dāng)值得期待的！