技术前沿：AR眼镜里的光波导如何设计

光波导，一个应AR眼镜需求而生的光学方案

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域，它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。

不同之处在于，AR眼镜需要透视(see-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(opticalcombiner)，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充，互相“增强”。

图1.(a)虚拟现实(VR)近眼显示系统的示意图;(b)增强现实(AR)近眼显示系统的示意图。

NED：近眼显示(Near-eyedisplay，简称NED)

AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。

微型显示屏，用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD,即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。

这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产品举例：

光波导是如何工作的

光波导技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件，在熟悉的光通信系统中，用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，就是波导的一种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。

在AR眼镜中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件：(1)传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1>n2);(2)光进入波导的入射角需要大于临界角θc.

全反射原理示意图

光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。

光波导的这种特性，对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。因为有了波导这个传输渠道，可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面，这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而改善了设备的佩戴体验。

其优点是增大动眼框范围从而适应更多人群，改善机械容差，推动消费级产品实现–通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框。

成像系统旁置，不阻挡视线并且改善配重分布–波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。

外观形态更像传统眼镜，利于设计迭代–波导形态一般是平整轻薄的玻璃片，其轮廓可以切割。

提供了“真”三维图像的可能性–多层波导片可以堆叠在一起，每层提供一个虚像距离。

但也有其不足：光学效率相对较低–光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失，并且大的动眼框使得单点输出亮度降低。几何波导:繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。

衍射波导:衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕，非传统几何光学，设计门槛较高。

基于波导的AR眼镜外观原理示意图

光波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别)，光通过在玻璃上下表面之间来回“全反射”前进。由于只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了AR眼镜最终的视场角(FOV)范围。

区别波导类型就主要在于光进出波导的耦合结构。光波导总体上可以分为几何光波导（GeometricWaveguide）和衍射光波导（DiffractiveWaveguide）两种，几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus。

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(SurfaceReliefGrating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(VolumetricHolographicGrating)，HoloLens2，MagicLeapOne均属于前者。

全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限制也比较大。全息光栅只是因为利用了类似于全息照相的原理来制造的，即用两束激光形成干涉条纹来调制光栅材料的特性以形成“折射率周期”，光栅本身并不能够全息成像。

光波导的种类:(a)几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图,(b)衍射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图，(c)衍射式光波导和全息体光栅的原理示意图。

光波导的不同分类

如文章第二部分所提，波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别)，光通过在玻璃上下表面之间来回“全反射”前进。

如果我们基于全反射的条件做一个计算，会发现只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了AR眼镜最终的视场角(FOV)范围。

简而言之，越是大的视场角，就需要越高折射率的玻璃基底来实现。因此传统玻璃制造商比如康宁(Corning)和肖特(Schott)，近年来都在为近眼显示市场研制专门的高折射率并且轻薄的玻璃基底，还在努力不断增大晶元尺寸以降低波导生产的单位成本。

有了高折射率玻璃基底，区别波导类型就主要在于光进出波导的耦合结构了。光波导总体上可以分为几何光波导（GeometricWaveguide）和衍射光波导（DiffractiveWaveguide）两种，几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus，目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(SurfaceReliefGrating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(VolumetricHolographicGrating)，HoloLens2，MagicLeapOne均属于前者。

全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限制也比较大。

这里还要区别一下真正的“全息技术”，其实这一直是个误区，全息光栅只是因为利用了类似于全息照相的原理来制造的，即用两束激光形成干涉条纹来调制光栅材料的特性以形成“折射率周期”，光栅本身并不能够全息成像。

几何光波导的工作原理及优缺点

限于文章篇幅的原因，今天主要分析几何波导的工作原理和优缺点，下一篇再重点分析衍射波导。

图4.光波导的种类:(a)几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图,(b)衍射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图，(c)衍射式光波导和全息体光栅的原理示意图。

“几何光波导”的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于优化迭代，至今差不多快二十年了。按图4(a)所示，耦合光进入波导的一般是一个反射面或者棱镜。在多轮全反射后光到达眼镜前方时，会遇到一个“半透半反”镜面阵列，这就是耦合光出波导的结构了，也就是几何光波导里的“光组合器”。

“半透半反”(确切说是“部分透部分反”)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“半透半反”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“半透半反”镜面阵列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(1DEPE)。

详细说明，假设进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束，由于波导只负责传输而并不把图像放大缩小等，那么“出瞳”的也是4毫米的光束，在这种情况下人眼的瞳孔中心只能在这4毫米的范围内移动并且仍能看到图像。

这样的问题是，不同性别和年龄的人双眼瞳孔间距可能从51毫米到77毫米不等，如果近眼显示系统的光学中心依据瞳距的平均值(63.5毫米)位置来设计，这就意味着有很大一部分人戴上这个眼镜看不到清晰的图像或完全接收不到图像。

有了这个扩瞳技术，动眼框范围通常能从最初的4毫米左右扩大到10毫米以上。你可能会产生疑问，多个出瞳，这样眼睛不会看到重影么？放心吧，出瞳面只是图像的“傅里叶面”，人眼瞳孔会从这个面截取完整的图像信息并用自带的“透镜”晶状体会将出瞳面透射到真正的“像面”（视网膜）上，因而同一角度的光还是会汇聚到同一个像素（视觉细胞），不会出现重影。

可能有点难理解，但这是扩瞳技术可行的精髓。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。

但是天下没有免费的晚餐，复制出瞳导致总的出光面积增大，自然而然在每一个出瞳的位置看到的通光量就减小了，这也是引起波导技术光效率比传统光学系统偏低的原因之一。

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。因此图像质量包括颜色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。

并且由于几何波导传播的光通常是偏振的(来源于LCOS微型显示屏的工作原理)，导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层。另外，这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，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。

因此，即使每一步工艺都可以达到高良率，这几十步结合起来的总良率却是一个挑战。每一步工艺的失败都可能导致成像出现瑕疵，常见的有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。

另外，虽然随着工艺的优化镜面阵列已经几乎做到“不可见”，但在关掉光机的情况下仍然可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列)，可能会遮挡一部分外部视线，也影响了AR眼镜的美观。

那么衍射光栅是什么呢？简单来说，它是一个具有周期结构的光学元件，这个周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷(图4b)，也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”(图4c)，但归根结底都是在材料中引起了一个折射率n(refractiveindex)的周期性变化。这个周期一般是微纳米级别的，与可见光波长(~450-700nm)一个量级，才能对光线产生有效的操控。         

衍射光栅的“分光”体现在两个维度，如图5中所示，假设入射光是单一波长的绿光，它会被衍射光栅分成若干个衍射级(diffractionorder)，每一个衍射级沿着不同的方向继续传播下去，包括反射式衍射(R0,R±1,R±2,…)和透射式衍射(T0,T±1,T±2,…)的光线，每一个衍射级对应的衍射角度(θm，m=±1,±2,…)由光线的入射角(θ)和光栅的周期(Λ)决定，通过设计光栅的其他参数(材料折射率n、光栅形状、厚度、占空比等)可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。

这就起到了与传统光学器件类似的改变光线传播方向的作用，但是它所有的操作又都是在平面上通过微纳米结构实现的，所以非常节省空间，自由度也比传统光学器件大很多。对于光波导而言，这一衍射角度还需要满足玻璃基底里的全反射条件才能在波导中传播，

衍射光波导，则是利用了光的衍射特性，来设计并实现“光路”。还记得曾经学过的物理学知识吗？衍射，需要小孔或者“栅栏”来实现。衍射光波导实现的技术方法之一，就是在光学平面上“刻”出一道道“栅栏”（术语为光栅），让光线按照设计好的路径传播。

在下图的左下角的方框处，俗称“光机”。光机负责把电信号转为光学影像，可以把光机简单的理解为一个投影仪。而光波导呢，则负责将来自“投影仪”影像最终传递到眼睛里。光波导，由光学镜片及镜片上的光栅构成。图中的光波导是一个比较经典的光波导结构，由三片光栅区域构成。左下角的第一片光栅是输入光栅，负责接收光信号，并将光传递到右下侧的“转折”光栅区。转折光栅区一方面对光线进行水平扩瞳（下文详述），另外再将光线传递到右上角的输出光栅。输出光栅对光线进行垂直扩瞳（下文详述），并最终将光线输出，投射到人眼中。

▲传统衍射光波导原理，图片来自Digilens▲

那么上面说的扩瞳是什么意思呢？这得先提到FOV（FieldOfView，可视角度）。回忆一下我们见过的早期的电脑显示屏，如果正对着显示屏看是可以看到影像的，但如果在显示屏旁边看，则看不清了。也就是说早前的显示屏FOV的角度比较小，后来随着显示器技术的发展，FOV逐步被扩大了，新的显示器也就再存在从侧面看不清的问题了。

▲FOV示意图，来自giganti.co▲

而光波导技术中的“扩瞳”，就是将低FOV的输入变为高FOV的输出。由于扩瞳同时存在水平和垂直两个方向，因此传统的衍射光波导都需要两个光栅进行二维“扩瞳”，再加上输入光栅，那就需要3片光栅区了。

大家自然会想到一个问题，一个镜片上，需要3片光栅，但真正人眼能看到的只有输出光栅一区域，岂不是浪费了镜片上的大量空间？有没有办法把输出光栅变得更大一些？实际上，Waveoptics已经获得突破并有成品光波导，而Facebook和微软也随后申报了类似的专利技术。

▲传统衍射光波导原理，图片来自Waveoptics▲

上面的动图是传统的衍射光波导，而下图的动图则是Waveoptics发明的新型光栅，将传统的3个光栅区变为2个，输出光栅区面积比传统方式大了很多。

▲新型衍射光波导原理，图片来自Waveoptics▲

在Facebook于2018年提交的专利中，将输出光栅区大大“扩容”。

▲Facebook衍射光波导专利图，来自GooglePatent网站▲

在微软于今年提交的专利中，同样将输出光栅区大大“扩容”。

▲微软衍射光波导专利图，来自uspto.gov网站▲

表面浮雕光栅衍射光波导的产业链

由于体全息光栅目前尚未形成完整的产业链，产业链部分本文仅讨论表面浮雕光栅。在说产业链之前，我们有必要先了解一下表面浮雕光栅的设计与生产流程。

▲表面浮雕光栅设计及制造流程，黑毛警长008整理▲

工艺流程分为三个阶段，分别是母版、步进母版和成品阶段。这个过程类似饼干工厂压制饼干的流程。

第一步是要设计并制造单个饼干模子（母板），第二步是用母板在一块大板上压出多个图样，形成一个大模子，第三步就是用大模子批量的压制成品。

▲表面浮雕光栅设计制造流程及相关厂商，黑毛警长008整理▲

虽然表面浮雕光栅的设计和制造产业链涉及到众多厂商，但是在母版和步进母版部分，并没有太多瓶颈，原因是这部分的原材料和制造设备与半导体产业同源，已经相当成熟。表面浮雕光栅的关键技术集中在光栅设计和高折射率原材料领域。

在光栅设计领域，前文提到的微软、MagicLeap、Facebook、Waveoptics和苹果都在力争设计出高FOV、低色散的光栅。在这些公司中，与微软、Facebook等大公司相比，Waveoptics似乎显得名不见经传，但这家公司实际上在光栅设计领域拥有重要的话语权。Waveoptics是一家英国公司，由两位光学专家创建。在创建Waveoptics之前，这两位创始人曾经是BAE公司的光学部负责人。BAE公司全名英国航空航天公司，是全球第三大军品公司，著名的台风战斗机就来自BAE。而台风战斗机所使用的衍射光波导头盔，就来自于BAE的光学部（即Waveoptics创始人所掌管的部门，呵呵）。

▲台风战斗机，图片来自BAE▲

▲BAE战斗机头盔使用了衍射光波导技术，图片来自BAE▲

而在玻璃原材料领域，主要有2个玩家，一家是美国的康宁，一家是德国肖特。康宁大家耳熟能详，iPhone屏幕上用的著名的大猩猩玻璃，就来自康宁。康宁公司已经有超过150年历史，目前是世界上最大的特种玻璃公司。另外一家肖特也不简单，这家公司曾经在蔡司旗下，有超过135年的历史。

前面提到我们希望光波导的FOV尽量的大。要增加FOV，一方面要有好的光栅设计，另外一方面则需要高折射率的玻璃。折射率越高，光波导的FOV越大。当前康宁和肖特都推出了折射率超过1.7的产品，而且这两家公司都表示折射率可以进一步提高。

而在纳米压印设备领域，基本上都被一家德国公司所垄断，那就是EV集团（EVG）。

波导技术并不是什么新发明，我们熟悉的光通信系统中，用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，就是波导的一种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。在AR-HUD中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件：(1)传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率;(2)光进入波导的入射角需要大于临界角θc。光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。             

光波导总体上可以分为几何光波导（GeometricWaveguide）和衍射光波导（DiffractiveWaveguide）两种，几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus，目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。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。因此图像质量包括颜色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。并且由于几何波导传播的光通常是偏振的，导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层。另外，这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，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。因此，即使每一步工艺都可以达到高良率，这几十步结合起来的总良率却是一个挑战。LUMUS在2000年就已经推出相关产品，但至今还未能量产。

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(SurfaceReliefGrating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导VHG(VolumetricHolographicGrating)或HOE（Holographicopticalelement），HoloLens2，MagicLeapOne均属于前者，全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens(HOE)。这个技术还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限制也比较大。但是车载AR-HUD不需要太大的FOV，能做到10度的FOV就已经能满足要求。当然Digilens已经可以轻松做到50度，并且在挑战100度。   

表面浮雕光栅波导(SurfaceReliefGrating)是目前AR眼镜的主流，想象一下将棱镜压缩到非常细小的尺度同时横向拉长。现在将这些纹路雕刻到镜片的表面。这些微型纹路也就是所谓的“表面浮雕波导”了。这里的关键就是“切割”出一系列垂直条纹，通过适当的排列将光线引导至眼前的镜片区域。这种“表面浮雕”光波导技术最早是诺基亚的专利，后来也由诺基亚商业化。微软的HoloLens中使用的光波导就使用了这种设计，不过微软对其作了修改，他们将外壳设计成直立状态，而微型显示器则设计在眼睛上方。诺基亚的专利很值得注意，因为它已经被证明是可以规模化生产的。不仅如此，除了HoloLens之外，诺基亚还将此设计授权给了Vuzix，后者在一家由英特尔投资资助的工厂生产相应的光波导，并以和联想合作的品牌销售到中国企业市场。

表面浮雕光栅波导(SurfaceReliefGrating)设计门槛比传统光学要高一些，主要在于衍射光栅由于结构进入微纳米量级，需要用到物理光学的仿真工具，然后光进入波导后的光线追踪(raytracing)部分又需要和传统的几何光学仿真工具结合起来。它的制造过程先是通过传统半导体的微纳米加工工艺(Micro/Nano-fabrication)，在硅基底上通过电子束曝光(ElectronBeamLithography)和离子刻蚀(IonBeamEtching)制成光栅的压印模具(MasterStamp)，这个模具可以通过纳米压印技术(NanoimprintLithography)压印出成千上万个光栅。但是这种技术和芯片的制造技术高度类似，需要使用千级无尘室和极其昂贵的晶圆生产设备，如果要做到眼镜大小，其成本和同样大小的芯片价格差不多，因此价格极其昂贵，且不会有下降的空间，这种技术已经非常成熟了，且在芯片上已经有十亿量级的出货了。

使用VHG或者说HOE的人很少，包括十年前就为美国军工做AR头盔的Digilens，曾经出过单色AR眼镜的Sony，还有由于被苹果收购而变得很神秘的Akonia，还有一些专攻体光栅设计和制造的厂家。他们所用的材料一般都是自家的配方，基本是感光树脂(Photopolymer)和液晶(LiquidCrystal)或者两者混合。制作过程也是先将一层有机薄膜涂在玻璃基底上，然后通过两个激光光束产生干涉条纹对薄膜进行曝光，明暗干涉条纹会引起材料不同的曝光特性，导致薄膜内出现了折射率差(Δn,indexcontrast)，即生成了衍射光栅必备的周期性。全息光波导这个名字带有一定的误导性。虽然这个名字里带有全息二字，但其实全息波导并不会直接在用户周围产生全息影像，它指的是透镜内部的光学元件本身就能产生纳米级全息图。

Digilens是其中最优秀的，领先其他公司至少10年以上，已经通过了美国联邦航空管理局的认证，在巴西航空工业的Legacy450和500上商用，这也是第一个光波导HUD的商业化应用。在美军战斗机上也有应用，但碍于保密问题，Digilens未主动宣传。

在宝马的顶级摩托车上也有使用

前面提到的光波导都是被动的无源设计，只有Digilens的是主动有源设计，这就意味着它有很大的技术挖掘空间。DigiLens设计出“主动式”全息光波导。通过使用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens光波导内的全息镜状光学器件能够在用电流激活时改变状态。称之为SwitchableBraggGratings技术。

这种类型的光栅结构与SRG是截然不同的，它拥有可以电切换的volumebragggrating。这与SBG最大的区别在于SBG衍射所有的图像并且只有一个路径。利用这种优势人们可以将布拉克光栅做得非常薄，从而使每个光波导层的FOV达到50°。与此同时，因为更高的光效率AR的显示效果也会更亮并且电池寿命更长。

全球第二大HUD厂家德国大陆汽车对Digilens情有独钟，参与了Digilens前三轮的投资，持股比例达18%。Digilens至今已经有5轮融资，总额达1.35亿美元。投资者包括索尼、松下、三星、三菱化学、美国罗克韦尔柯林斯公司（RockwellCollins，做战斗机头盔）、富士康、UniversalDisplay、Niantic、杜比。

全息光波导技术和成像技术无关，TFT和德州仪器的DMD都可以使用，以前的HUD设计成果也可以得到再利用，有助降低研发成本。缺点是目前可量产的全息光波导被Digilens垄断，衍射光波导做得不好很容易有彩虹效应，光效率比较低，此外，全息光波导最好使用高功率的激光二极管做光源。

衍射波导的机理

了解了衍射光栅的工作原理后，我们再来看看它在光波导平台上的作用。

本文第一部分提到几何波导利用半透反射镜阵列实现一维出瞳扩展（1DEPE）。如果我们将这个概念转移到衍射波导中，如图3（a）所示，我们可以使用输入光栅将光耦合到波导中，然后用输出光栅代替反射镜阵列将光耦合出波导。虽然光学光线在波导内部像蛇一样游荡，但每次遇到玻璃表面的输出光栅时，一部分光会被衍射出波导并释放到我们的眼睛中。其余光线将继续在波导内传播，直到再次从玻璃表面反弹。以这种方式，1DEPE与几何波导类似地实现。

然而，我们并不满意瞳孔扩展仅限于水平方向（即沿瞳孔间距的X方向）。利用衍射光学与几何光学相比较大的灵活性，我们为什么不在垂直方向（即鼻梁旁边的Y方向）扩大瞳孔呢？这样，AR眼镜不仅可以适应更大范围的瞳距观看者，而且可以为各种脸型和鼻子高度的观看者提供更大的兼容性。

使用三个光栅区域进行二维出瞳扩展（2DEPE）的概念是由当时的诺基亚研究实验室的TapaniLevola博士在十多年前提出的，他贡献了许多有价值的出版物，主要以SRG进行了演示。然后，该IP分别被Microsoft和Vuzix收购或许可，这两家公司都在其设计中使用类似的布局作为基线。如图3（b）所示，具有代表性的VHG公司Digilens也采用三光栅布局结构来实现2DEPE。我们可以看到，光通过输入光栅耦合到波导后，遇到折叠或转弯光栅区域，其光栅周期方向与输入光栅的方向成一定角度。为了更容易解释，我们假设这个角度是45度，这就像一个45度的镜子，将X方向的入射光90度转向Y方向。在这个过程中，光线会多次与转向光栅相互作用，而每次只有一部分光线被转动90度，其余光线继续沿X方向传播。

这类似于图3(a)所示X方向上的一维EPE。但不同的是，这里的一维扩展光继续遇到第三个光栅区域——输出光栅，而不是立即耦合出波导。输出光栅结构与输入光栅相似，但光栅面积大得多，并且周期性方向垂直于输入光栅。在输出光栅中，一维扩展光束的每条光线在Y方向上都经历了类似的EPE过程。如果我们假设单个输入光瞳在X方向上的1DEPE之后通过转向光栅扩展为1xM光瞳阵列，那么在输出光栅中它们在Y方向上扩展为NxM出射光瞳矩阵。M和N分别是转向光栅和输出光栅内部的TIR往返次数。市场上大部分主流产品都采用旋转光栅制作2DEPE。具体的光栅面积、几何形状和排列方式可以根据产品规格进行相当灵活的调整。M和N分别是转向光栅和输出光栅内部的TIR往返次数。市场上大部分主流产品都采用旋转光栅制作2DEPE。具体的光栅面积、几何形状和排列方式可以根据产品规格进行相当灵活的调整。M和N分别是转向光栅和输出光栅内部的TIR往返次数。市场上大部分主流产品都采用旋转光栅制作2DEPE。具体的光栅面积、几何形状和排列方式可以根据产品规格进行相当灵活的调整。

实现二维EPE的另一种方法是直接使用二维光栅，其周期性位于X和Y方向。更直观地说，光栅“凹槽”现在变成了“柱子”。英国一家名为WaveOptics的公司采用了二维光栅结构，它结合了以前的旋转光栅和输出光栅的功能。如图3©所示，通过输入光栅（区域1）耦合到波导中的光直接进入区域3，其中2D光栅柱可以同时将光瞳向X和Y方向扩展，同时将光一点一点地释放给观察者'眼睛。我们可以想象，要一个光栅区域来处理所有这些任务，在总输出亮度和所有出射光瞳之间的均匀性之间取得平衡，这是一项相当具有挑战性的工作。尽管存在设计挑战，但光栅区域只有两个而不是三个，这可能会减少运输过程中的光损失。由于没有转向光栅，输出光栅可能会占用更多空间，从而可能会增加眼盒尺寸。WaveOptics40度FOV模块的眼盒尺寸可以达到19x15mm2左右，是市场上所有同类产品中最大的。    

图3.衍射光栅中的出瞳扩展（EPE）：（a）一维EPE图示，（b）使用旋转光栅的二维EPE，©使用二维光栅的

衍射波导的优缺点

衍射波导与几何波导相比的主要优势在于光栅设计和制造的灵活性。无论是采用传统半导体微/纳米制造技术的SRG，还是采用激光干涉全息技术制造的VHG，制造过程都发生在玻璃波导基板顶部的沉积薄膜上。它不涉及几何波导中传统的成型、切割和粘合工艺。整体良率和可扩展性更可控。

此外，使用旋转光栅或二维光栅的二维出瞳扩展除了瞳距覆盖之外，还可以在垂直方向（例如面部拓扑和鼻梁高度）上更多地覆盖用户群体。这导致对工业设计的更大容忍度和更多符合人体工程学的用户体验变化。2DEPE还使光引擎更小，尤其是在垂直方向上。

在几何波导中，每个半透半反镜都沉积了数十层涂层，以产生不同的反射/透射比，以保证整个眼盒输出光的均匀性。涂层工艺的这种变化非常繁琐，可能会破坏整体产量。而对于衍射光栅，这个比例可以通过占空比或几何形状等光栅参数来控制，这些参数可以很容易地写入光刻或全息的掩模中，并通过一次性曝光“打印”到光栅薄膜上。

然而，衍射光栅也有其自身的问题和挑战，主要来自衍射光栅对输入角度和波长非常敏感和选择性的特性，这在图2中进行了解释。首先，我们需要优化光栅结构，使一个特定的订单获得了大部分的关注，而其他订单则被压制了。以SRG结构中的输入光栅为例，图3（a）所示的几何对称矩形光栅均匀地衍射+1和-1阶，最终只有一侧的光被收集并传输到观察者的眼睛中，浪费了50%的输入光。因此，大多数情况下使用图1(b)中所示的倾斜光栅或闪耀光栅来最大化+1或-1级并将光衍射集中到一侧。

然后我们需要处理色散问题，如图2所示，相同的衍射光栅将不同的波长重定向到不同的方向。来自光学引擎的光包括RGB颜色，每种颜色也跨越一个波长范围。当它们通过输入光栅的衍射耦合到波导中时，如图4(a)所示，如果我们的优化目标是+1阶透射衍射，即T+1，那么对于不同的波长，衍射角θ+1T将不同，以R>G>B的方式。由于这个衍射角的不同，每个波长所经历的TIR往返长度是不同的。与绿色相比，红色在波导内的TIR反弹较少，蓝色的反弹最多。由于这种差异，当光线遇到输出光栅并耦合出光栅时（如图4(a)中指向眼睛的箭头所示，仅用于说明目的），蓝色将被耦合出3次，绿色两次，红色只有一次。当眼睛移动到输出光栅的不同位置时，这会导致RGB颜色的不同部分因此不均匀。尽管整个眼盒的颜色不均匀，但单个波长的衍射效率也随输入角度而变化。这将导致整个FOV的颜色不均匀，即所谓的“彩虹”效应。

为了减轻色散问题，最常见的方法是分别为红、绿、蓝三色波段使用三层波导，每一层都有自己的光栅参数，仅针对一种颜色进行优化。这减少了整个眼盒的颜色不均匀性。但是，每个RGB色带还包括多个波长而不是单个波长，因此颜色不均匀性只能通过优化来改善而不是完全消除。最近发布的HololensII将LED光源替换为带宽更窄的激光源，这可能会降低“彩虹”效应并提高有效FOV。值得一提的是，主流产品正朝着两层波导方向发展，而不是三层，以吸引制造更薄的玻璃。一些开创性的公司发明了新的光栅结构，将所有RGB颜色包含在一层波导中，提高了颜色性能。一个例子是位于芬兰的Dispelix，到目前为止，它已经展示了30度的FOV。

综上所述，光学衍射的物理特性导致了输入角度和波长的强选择性，主要表现为FOV和眼盒的颜色不均匀性，前者或两者都称为“彩虹”效应。在光栅设计优化过程中，很难在波长和角度公差之间取得平衡。因此，使用一层薄波导处理所有RGB颜色同时达到最大FOV是该行业的共同挑战和目标。

图4.衍射波导中的色散问题：(a)单层波导和衍射光栅导致整个眼盒的不均匀性，(b)具有单独光栅的多层波导提高了整 

衍射光波导领域的国内厂商

从上面的产业链图表我们发现，产业链中的公司仅来自美、英、德、日这四个国家。中国公司难道集体缺席？

在衍射光波导核心技术和材料领域，我们不得不接受的现实是，中国距离欧美日还有距离。但衍射光波导既然是“金钥匙”，中国的厂商自然不会熟视无睹。当前已有歌尔股份和水晶光电两家中国公司成功打入到了核心产业链中。

歌尔股份，在2018年和2019年先后两次投资光波导设计公司Waveoptics。这两次C轮投资一共3千万英镑（约3亿人民币），获得了Waveoptics公司33%的股权。另外歌尔即将发行的可转债中，将有10亿人民币投入到衍射光器件的研发和制造，预计2021年可形成500万件年产能。

水晶光电，在2018年与肖特共同投资设立浙江晶特光学科技有限公司(简称“晶特光学”)。晶特光学注册资本1.35亿元人民币，其中水晶实际持有晶特光学的54%股份。预计晶特2021年可形成440万件AR晶圆的年产能。

前面我们提到，衍射光波导发展的关键，一在于光栅设计，二在于高折射率玻璃。歌尔与水晶光电这两家中国公司，分别在这两个关键领域投入重金，成功打入了核心产业链。

原文始发于微信公众号（AIOT大数据）：技术前沿：AR眼镜里的光波导如何设计