增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）便攜式和可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)正在迅速增長(zhǎng)。在各種硬件實(shí)現(xiàn)形式中，帶透明眼鏡的頭戴式顯示器（HMD）或近眼顯示器（NED）可提供最有效和身臨其境的AR體驗(yàn)。由于其輕薄的特性，光波導(dǎo)被認(rèn)為是消費(fèi)級(jí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）眼鏡的無與倫比的選擇，但由于其價(jià)格高昂和技術(shù)壁壘，它仍然被禁止。隨著諸如Hololens II和Magic Leap One之類的主流AR可穿戴設(shè)備采用波導(dǎo)解決方案并展示了其批量生產(chǎn)能力，以及最近披露的針對(duì)AR光模塊制造商DigiLens，NedAR和LingXi的融資新聞，波導(dǎo)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 AR玻璃行業(yè)的熱門話題。

光波導(dǎo)在AR NED系統(tǒng)中如何工作？所謂的“陣列波導(dǎo)”，“幾何波導(dǎo)”，“衍射波導(dǎo)”，“全息波導(dǎo)”和“體積波導(dǎo)”之間是什么關(guān)系？波導(dǎo)是如何在使AR玻璃行業(yè)發(fā)生革命的過程中開發(fā)的？

1.光波導(dǎo)—隨需應(yīng)變

光學(xué)系統(tǒng)通常由用于VR和AR近眼顯示器（NED）的微型顯示器和成像光學(xué)系統(tǒng)組成。微型顯示器可以像微型OLED或時(shí)尚的微型LED面板一樣主動(dòng)提供圖像，也可以通過在基于液晶的顯示器（包括透射型LCD和反射型LCOS），數(shù)字微鏡器件（DMD）和激光上間接照明來間接提供圖像光束掃描儀（LBS）均由微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）啟用。與VR相似，顯示像素被成像到一定距離并形成虛擬圖像以投射到人眼。與VR不同，AR NED需要“透視”功能，以便眼睛能夠同時(shí)查看現(xiàn)實(shí)世界。成像系統(tǒng)無法阻擋正視圖，因此，這需要一個(gè)或幾個(gè)附加的光學(xué)元件來形成“光學(xué)組合器”。光學(xué)組合器反射虛擬圖像，同時(shí)將外部光傳輸?shù)饺搜?，將虛擬內(nèi)容疊加在真實(shí)場(chǎng)景的頂部，以使它們相互補(bǔ)充和“增強(qiáng)”。

?

在AR NED市場(chǎng)上已經(jīng)展示了多種光學(xué)組合器解決方案，這些解決方案通常以反射鏡或部分反射鏡，透鏡或棱鏡為代表。反射表面可以是平坦的，彎曲的或自由形成的，而某些表面可以是偏振的。在這里，我們使用一種簡(jiǎn)單的方法對(duì)光學(xué)解決方案，它們?cè)谑袌?chǎng)上的代表產(chǎn)品進(jìn)行分類，并簡(jiǎn)要比較它們的特性。由于有關(guān)不同光學(xué)解決方案的文章已經(jīng)非常豐富，因此在此我們將不進(jìn)行詳細(xì)介紹，而將重點(diǎn)放在光波導(dǎo)上。顯然，目前還沒有理想的解決方案，因此所有人都可以一起繁榮發(fā)展。每個(gè)AR玻璃產(chǎn)品都需要根據(jù)目標(biāo)方案或用例選擇最合適的玻璃，

不過，在所有當(dāng)前的光學(xué)解決方案中，我們認(rèn)為，基于其光學(xué)性能，外觀和批量生產(chǎn)能力，光波導(dǎo)具有實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的最大潛力。

?

2.波導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

光波導(dǎo)技術(shù)是最近作為一種獨(dú)特的光合路器而引入的，因?yàn)樗ǔ２怀休d光功率。但是，這并不是一個(gè)全新的概念，其原理與通信網(wǎng)絡(luò)的光纖相同。唯一的區(qū)別是，在我們的案例中，后者傳輸?shù)氖羌t外光而不是可見光。為了使光像游泳蛇一樣在波導(dǎo)內(nèi)部來回反射，“全內(nèi)反射（TIR）”是關(guān)鍵。要進(jìn)行TIR，必須滿足兩個(gè)條件：（1）波導(dǎo)中的高折射率材料（n1> n2）；（2）光的入射角大于臨界角θc。

光學(xué)引擎生成虛擬圖像后，波導(dǎo)將圖像耦合，然后通過TIR在幾乎零泄漏的情況下將其傳輸?shù)讲ＡЩ鍍?nèi)部，然后在到達(dá)觀看者的眼睛位置時(shí)將圖像耦合出去。在整個(gè)過程中，波導(dǎo)通常不會(huì)影響圖像本身，因此它是獨(dú)立于成像系統(tǒng)的光學(xué)組合器。

?

使用波導(dǎo)作為光學(xué)組合器的最大優(yōu)勢(shì)是AR眼鏡設(shè)計(jì)中的空間優(yōu)化。通過使微顯示器和成像光學(xué)器件不受干擾（位于額頭頂部或側(cè)面），不僅可以最大程度地減少視力障礙，還可以優(yōu)化設(shè)備的重量平衡并改善人體工程學(xué)。下面列出了波導(dǎo)配置的優(yōu)缺點(diǎn)，并將在本文的全文中進(jìn)行解釋。

優(yōu)點(diǎn)

大眼罩和改進(jìn)的機(jī)械公差以適應(yīng)更多的人群-1D和2D出瞳擴(kuò)展。

視野清晰和重量平衡-波導(dǎo)將虛擬圖像傳輸?shù)窖劬Α?/span>

眼鏡外觀，接近消費(fèi)品-扁平且薄的目鏡，良好的外部透光率。

適用于設(shè)計(jì)迭代和批量生產(chǎn)-具有定制輪廓，納米加工的平板玻璃基板。

多層可堆疊—在3D深度下創(chuàng)建不同深度的虛擬圖像。

?插件

相對(duì)較低的光學(xué)效率-低的輸入/輸出耦合效率，并且犧牲了大眼罩。

幾何波導(dǎo)：復(fù)雜的制造工藝，可能的低成品率。

衍射波導(dǎo)：衍射引起的色散會(huì)導(dǎo)致彩虹和霧霾影響圖像質(zhì)量。

衍射波導(dǎo)：高設(shè)計(jì)壁壘。

?

3.波導(dǎo)類別和比較

如上所述，波導(dǎo)的主要部分是透明的薄玻璃基板（厚度通常在亞納米到幾納米之間變化），由于TIR的緣故，光在頂面和底面之間反射的光很少泄漏。如果對(duì)波導(dǎo)中允許進(jìn)行TIR的輸入角度范圍進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)發(fā)現(xiàn)視場(chǎng)（FOV）受玻璃折射率的限制。因此，為了獲得更高的FOV，康寧和肖特等玻璃制造商正在以晶圓規(guī)模開發(fā)高折射率玻璃基板，特別是針對(duì)該市場(chǎng)。

使波導(dǎo)技術(shù)彼此不同的地方在于用于將光耦合進(jìn)出波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，它們之間通過光的TIR傳輸連接。光波導(dǎo)通?？煞譃閹缀晤愋秃脱苌漕愋汀缀尾▽?dǎo)是所謂的“陣列波導(dǎo)””，它通過一系列透反射鏡在一個(gè)維度上擴(kuò)展了眼盒。幾何波導(dǎo)的領(lǐng)先光學(xué)公司是Lumus。到目前為止，市場(chǎng)上還沒有成熟的AR玻璃產(chǎn)品，但數(shù)量很多。衍射波導(dǎo)覆蓋表面浮雕光柵（SRG）結(jié)構(gòu)和體積全息光柵（VHG）結(jié)構(gòu)。Hololens和Magic Leap都使用SRG結(jié)構(gòu)，而Digilens則是VHG的先驅(qū)以及去年蘋果公司采用的Akonia。VHG技術(shù)相對(duì)不那么成熟，目前提供有限的FOV，但可能會(huì)提供更好的色彩性能。由于篇幅的限制，我們將首先介紹幾何波導(dǎo)，并將衍射波導(dǎo)保存到下一次。

（1）幾何波導(dǎo)

幾何波導(dǎo)大約是在二十年前首次引入的，并由以色列公司Lumus率先開發(fā)。如圖5（a）所示，來自光學(xué)引擎的光通過反射鏡或棱鏡結(jié)構(gòu)耦合到波導(dǎo)中。當(dāng)?shù)竭_(dá)觀看者眼球正前方的位置時(shí)，玻璃基板內(nèi)部會(huì)發(fā)生多個(gè)TIR反射，光線會(huì)遇到一系列透反射表面以釋放圖像。甲透反射（透射+反射）表面以一定角度嵌入波導(dǎo)基板內(nèi)部，以將一部分光反射到我們的眼睛，并使其余的光通過以進(jìn)一步傳播。它還可以傳輸來自現(xiàn)實(shí)世界的光，以用作光學(xué)組合器。然后，透射光遇到另一個(gè)透反射表面，并重復(fù)相同的透射和反射過程。

在常規(guī)的光學(xué)成像系統(tǒng)中，光僅通過所謂的“出射光瞳”出射。在此，透反射表面會(huì)重復(fù)幾次以提供相同的圖像輸出，從而在水平方向上擴(kuò)大出瞳。這種設(shè)計(jì)稱為“一維出射光瞳擴(kuò)展（EPE） ”。您可能想知道，多個(gè)出瞳會(huì)在我們的眼睛中造成雙像還是陰影像？不用擔(dān)心，出瞳只是虛擬圖像的“傅立葉平面”，人眼將通過其唯一的透鏡將該平面的角度信息轉(zhuǎn)換為空間信息。然后圖像在“圖像平面”上形成-我們的視網(wǎng)膜，所有處于相同角度的光線（即使它們來自不同的出瞳）也會(huì)合并到同一像素上，因此只能生成一張圖像。它可能有點(diǎn)抽象而無法理解，但這是EPE的本質(zhì)。例如，如果到波導(dǎo)的輸入光束的直徑為4毫米，而沒有EPE結(jié)構(gòu)，則輸出光瞳將保持為4毫米，因?yàn)椴▽?dǎo)除了傳輸光以外沒有對(duì)光進(jìn)行任何修改。這意味著您的眼睛只能在瞳孔中心在此4毫米范圍內(nèi)移動(dòng)的情況下清楚地看到虛像。通過實(shí)施EPE結(jié)構(gòu)，出瞳可以擴(kuò)展到10毫米以上，從而使您的眼睛的運(yùn)動(dòng)盒更大。

對(duì)于AR眼鏡來說，眼盒對(duì)于適應(yīng)不同瞳距的用戶來說非常重要，視年齡，性別等，瞳距在51毫米至77毫米之間。

該技術(shù)解決了AR眼鏡產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的許多問題，例如機(jī)械公差，產(chǎn)品SKU（例如，男女的不同規(guī)格），人體工程學(xué)和用戶界面設(shè)計(jì)等。因此，采用EPE的光波導(dǎo)推動(dòng)了AR眼鏡的發(fā)展。邁向消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。但是，沒有免費(fèi)的午餐。眼盒的擴(kuò)展是以平均后每個(gè)點(diǎn)的光輸出較少為代價(jià)的。這是與常規(guī)方法相比波導(dǎo)具有較低光學(xué)效率的主要原因。

幾何波導(dǎo)利用常規(guī)的幾何光學(xué)設(shè)計(jì)過程，仿真工具和制造過程，而不涉及任何花哨的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。由于幾何光學(xué)結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)顏色造成任何偏差，因此生成的圖像可以具有很高的質(zhì)量。但是，在制造過程中似乎存在挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一是透反射鏡的涂層。由于在波導(dǎo)內(nèi)部傳播期間留下的光越來越少，因此對(duì)于每個(gè)反射鏡而言，所需的反射/透射比將有所不同，以確保在整個(gè)眼盒內(nèi)輸出均勻的光。而且由于光由于LCOS的性質(zhì)而被偏振，而LCOS經(jīng)常被用作幾何波導(dǎo)系統(tǒng)的微型顯示器，因此每個(gè)反射鏡的表面上可以具有十層以上的薄膜涂層。

此外，在對(duì)每個(gè)鏡子進(jìn)行鍍膜處理之后，需要將它們堆疊并粘在一起，然后以精確的角度切割。膠合和切割的精度也會(huì)影響玻璃板的平行度，從而影響圖像質(zhì)量。盡管每個(gè)步驟都是常規(guī)的光學(xué)制造工藝，并且可能具有很高的成品率，但是將所有繁瑣的步驟和部件組合在一起以實(shí)現(xiàn)合理的總成品率卻頗具挑戰(zhàn)性。任何處理步驟的不精確性都可能導(dǎo)致最終的虛擬圖像出現(xiàn)缺陷，例如黑線，不均勻性，重影等。此外，盡管制造進(jìn)步已使微顯示關(guān)閉時(shí)鏡面陣列的可見度降至最低，但我們?nèi)匀豢梢栽谀跨R上將它們視為“條紋”，這會(huì)阻礙正常視力，并且還會(huì)影響AR眼鏡的外觀。