水晶技术之元宇宙系列|增强现实———光学技术的未来视界（Part Ⅳ）

反射光波导

在本系列之前的几篇文章中，我们从AR（增强现实）技术的基础知识开始，分别深入探索了如今增强现实技术中的核心技术例如光引擎技术以及衍射光波导等。本篇文章将再介绍另一重要的增强现实技术——反射光波导。反射波导在增强现实（AR）眼镜等近眼显示设备中有着广泛的应用。通过将图像源耦入反射光波导，并在波导内进行全反射传播后耦出投射入人眼形成图像，使得AR眼镜能够实现虚实结合的显示效果。反射光波导，更详细的名称是阵列反射光波导，又叫几何光波导，是一种用于传输光线的结构，其核心原理是利用光的全反射现象将光波限制在特定介质内部或沿其界面传输。

基本原理

反射波导是一种由一系列透明薄板组成的眼镜镜片结构，具有轻薄的优势。几何波导的光线耦合过程主要是通过反射镜或折射棱镜完成的。光线经过在反射波导内的传输，最终被光束分离阵列耦合输出。如图1所示，反射波导显示器由三部分组成：微显示器（Microdisplay）、投影光学元件（Projection optics）和几何波导光学元件（Waveguide optics）。在这三部分中，波导作为瞳孔扩展器，用于减少头戴式显示器（HMD）的厚度。微显示器提供的高分辨率图像源通过投影光学元件汇聚到波导中的耦入区。这确保了光线由于全内反射（TIR）条件而在基板上连续反射。光线到达部分反射镜阵列（Partially reflective mirror array, PRMA），然后将其传送到人眼。部分反射的镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面，每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进。然后这部分前进的光又遇到另一个部分反射镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。

在传统光学成像系统中，图像通常只有一个“出口”，叫做出瞳。这里的部分反射镜阵列（PRMA）相当于将出瞳沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像，这就是一维扩瞳技术。有了这个扩瞳技术，动眼框（Eyebox）直径通常能从最初的4毫米左右扩大到10毫米以上。动眼框的扩大解决了产品设计中的很多问题，例如机械设计容差、产品规格数目(需不需要分男版和女版)、用户交互体验等，将AR眼镜向消费级产品的实现大大推动了一步。

反射波导在设计上有五个关键参数：（1）厚度 （d）；（2）玻璃材料的折射率 (n)；（3）入射面与波导基板之间的角度（θ）；通过选择合适的θ，可以有效消除杂散光；（4）入射面中心点与PRMA中第一反射面中心点之间的距离 (H0)；（5）PRMA中两面相邻反射面之间的距离 (H)。PRMA中的反射面等间距且平行放置。

几何光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程，没有牵扯到任何微纳米级结构。因此光学效率以及图像质量包括颜色均匀性和对比度可以达到很高的水准。

但是，工艺流程比较繁冗，其中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中会越来越少，那么阵列中这五六个镜面的每一个都需要不同的反射透射比(R/T)，以保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的。

平面反射镜

平面反射镜作为最简单的几何光学元件之一，在作为反射光波导的输入耦合器或输出耦合器时表现出色。在几何波导的早期设计中，全反射镜被用作输入耦合器，将来自微显示器的投影光线反射到波导中。在波导内部经过几次全内反射（TIR）循环后，被捕获的光线到达输出耦合器，即另一个全反射镜，它将光线从波导耦合出并送入用户眼中。然而，在薄波导中，这种输出耦合器限制了视场角（FoV）和出瞳距离（EDP）。

为了解决这个问题，采用了具有梯度效率的级联嵌入式部分反射镜作为输出耦合器，如图1所示，这种耦合器可以复制并将光线从波导耦合出并送入用户眼中，从而实现大而均匀的出瞳区域。尽管这个过程看似简单，但镀膜工艺的变化却相当繁琐，并可能影响整体产量，因为每个镜子都需要沉积数十层膜，以产生不同的反射/透射比，以确保整个出瞳区域的输出光线均匀性。

此外，还有其他类型的镜面也可以用作波导耦合器，如图3中所示爱普生300T和蔡司Tooz中的曲面镜，以及Optinvent和LetinAR中的针孔镜阵列。这些镜子各有特点，可以根据具体的应用需求进行选择和优化。例如，曲面镜可能更适合于需要较大视场角的设计，而针孔镜阵列则可能在提高分辨率和减小体积方面更具优势。在选择和使用这些镜子时，需要综合考虑多种因素，包括光学性能、制造成本、装配难度等。

棱镜

另一种简单的几何光学元件是棱镜。棱镜通常被用作输入耦合器，以等效地替代反射镜。作为反射波导耦入区时，棱镜可能被放置在波导的顶部，如图2所示，或者波导本身可以被切割成一个角度，以便通过全内反射将入射光耦合到波导中。

大多数这些反射波导耦合器也可以使用塑料基板制造，因为它们不需要高折射率的基材。例如，蔡司Tooz、Optinvent和LetinAR正在开发塑料几何波导组合器。塑料基板的使用不仅降低了制造成本，还提高了设计的灵活性，因为塑料材料可以通过注塑成型等工艺轻松加工成各种形状和尺寸。然而，与玻璃基板相比，塑料基板的光学性能和稳定性可能稍逊一筹，因此在选择材料时需要权衡各种因素。

反射波导耦合器产生的问题

作为一个无色差光学元件，反射波导不会遇到颜色均匀性问题。但是，反射波导的主要问题是由耦入区中不需要的反射引起的杂散光和鬼影图像，这可能会严重降低图像质量，尤其是在视场（FoV）在瞳孔扩展方向上增加时。根据以前的研究，杂散光主要通过三种方式产生，如图4（a-c）所示。

第一种是由光线在耦合镜内双重反射引起的，如图4（a）中的圆圈区域所示。在理想设计中，来自微显示器的所有光线仅通过入射耦合反射镜进行一次反射，如图中的蓝色箭头所示。然而，第二次反射会改变正常光线的原始方向，从而产生杂散光，如图中的红色箭头所示。为了消除这种类型的杂散光，可以使用带有吸收层的等效棱镜来替换入射耦合镜，如图4（d）所示。为了规避棱镜引入的色差和畸变，棱镜的角度αp应满足以下条件：通过棱镜耦合到波导中的光线应与图4（d）中用棕色虚线表示的替换反射镜的光线重合，因此，其中是反射镜的倾斜角。否则，应减小投影镜头的出瞳直径以避免第二次反射。

另外两种情况发生在光线以非理想的方向入射到部分反射镜的前表面或后表面时，如图4（b）和4（c）所示。在理想设计中，入射角度与设计值不匹配的光线都应穿过该部分反射镜。然而，镀膜并不完美，因此当这些光线从前表面或后表面反射时会产生杂散光。优化镀膜的反射角带宽将显著减少这两种杂散光。

另一个问题是漏光，这主要是由于波导底部表面的菲涅尔反射造成的，如图4（e）所示。通过在底部表面应用抗反射（AR）膜可以显著减少漏光。

反射波导的制造工艺

阵列反射波导镜片的制造不仅需要精确的镀膜、切片、抛光和成型工艺,还涉及核心的反射镜面堆叠技术。反射波导加工的具体方法如图5所示。数块不同厚度的平行玻璃板在镀膜后粘合在一起。由于每一镜面涉及不同的反射透射比、角度带宽、偏振方向，导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层。将粘合后的玻璃板以一定角度倾斜进行位置切割，并将每块切割成相同的厚度。随后，将波导旋转90°进行侧向切割。同样，保持尺寸相同。这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。最后，对波导进行边缘抛光。

针对原有胶水贴合工艺存在品质缺陷严重、量产性差和良率低的瓶颈难题,近期,业内出现科技公司采用创新的键合工艺来取代胶水工艺。玻璃基板的粘合可以通过阳极键合工艺（图5）实现的。阳极键合是一种电和热的过程，通常用于将硅晶片粘合到玻璃基板上。据文献报道，在320–360°C的键合温度、600–800V的键合电压和15分钟的键合时间下，可以获得超过95%的硅-玻璃键合面积。

总结与展望

阵列反射波导技术有许多优点，例如实现高分辨率、高色彩保真度，大视场角，大眼动范围。尽管几何波导具有明显的与其他增强现实技术相比的优势，一些问题仍有待解决。主要问题在于繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。另外反射波导较为容易产生是鬼影等杂光，严重降低了使用体验。但相信在不久的将来，在行业的共同努力下，反射波到设计及制造工艺上的瓶颈将被突破，助力消费级反射波导AR产品的面世！