深入Meta AR眼镜光学架构：还是低估了Meta的钞能力

Meta昨天公布了一篇介绍碳化硅波导的文章，其中最关键的信息，是晒出来了一张碳化硅波导晶圆的图片：

至此，我们昨天的猜测基础，可以说得到验证了——首先，三个耦入光栅对应三光机阵列肯定是没跑了。

再看具体的layout，明明是单片波导却看似有上下两层光栅，如果这个晶圆就是Meta Orion使用的（单片）波导没切下来的状态，则很明显是采用了单片双面波导刻蚀，也就是说，正反两面都有光栅。

从Meta的专利来看，他们也明确写明两个光栅确实在波导正反两侧，并称与光机同侧，也就是背面的光栅为第一耦出光栅，负责x方向的eyebox扩展，与人眼同侧的光栅为第二耦出光栅，负责y方向的eyebox扩展。

先默认Orion的光栅就是专利描述的情况，也不考虑两面都为2维光栅或者1+2维光栅组合的可能性（太复杂，工艺也更会抓狂），可以推测这两面分别就是一维光栅：等效于把我们大家熟悉的HoloLens 1式三段Layout的扩瞳光栅EPE和耦出光栅OG分配到了波导的正反面。

目前看到的和Orion外观类似的专利里，都声称三个耦入光栅对应三个单色的光机。还是那句话，默认Orion的光栅就是专利所说的情况，即Orion的3光机阵列中的单个子光机分别是R、G、B三种颜色，结合昨天我们提到的PPD 25的情况，也就是子光机采用的是单色较高分辨率的microLED，且不会高于1920*1080。

（注：按CNet记者的说法是有两个版本，一个12ppd，如我上一篇文章所说，这个PPD很明显采用的就是标品640*480的分辨率（我有点惊讶Meta真的会直接做一个PPD这么低的版本）；另一个25ppd的则为定制款的接近1920*1080的分辨率）

基本上盘完了专利中的对应情况之后，我们来按照自己肤浅的认知分（xia）析（che）一下背后的逻辑和一些疑问，不然就成专利复读机了😅（还是那句话，信息有限，抛砖引玉）：

一、选择双面的原因：FOV太大，需要维持高Eyebox的同时减小波导尺寸

之所以费劲把三段式光栅给搬到正反两面，必然不是要秀工艺。个人推测是为了维持镜片的一个小体积，或者确切的说是小面积。

波导的扩展光栅（EPE）和耦出光栅（OG）会随着FOV的增大而增大，这一方面是由于光学上需要更大的光栅面积来“收纳”大角度的光，另一方面还因为更大的FOV也就需要更大的eyebox。

如此一来，EPE+OG光栅如果都在同一面上，就会把整个波导的面积搞得非常大，不仅会笨重、丑陋，还会把人眼看虚像的OG光栅压得很靠下，导致眼镜的设计非常难做。（如下图，仅为示意，有夸张）

如果70度波导的EPE和OG都放在一个面上，按Meta的自己的专利来看，其尺寸粗略已经去到75*62mm了，比一般人的眼镜片大很多。

这方面同样70度fov的Magic Leap 2其实也是这么干的（双面光栅）；HoloLens 2当年的双面光栅butterfly layout，除了分配fov突破k空间外，个人认为一部分原因也是为了缩小epe的面积。

可见Orion的镜片还是比较符合一般眼镜镜片尺寸

这也是为什么个人认为反射（阵列）波导上限较低的原因之一（注意只是之一）：因为反射波导要实现二维扩瞳拼起来已经很麻烦了，而如果大FOV时需要把扩瞳和耦出放到正反两面以缩小镜片面积，不太可能像SRG一样在玻璃表面刻蚀棱镜阵列，只能考虑双层的反射波导，这良率会低到无法想象。

二、耦入光栅非圆形：避免二次衍射损失？

再看晶圆上的耦入部分。可以看到耦入并不是圆形，而是类似一种半月形。当然，这不排除是拍摄光线角度导致的。

不过如果耦入光栅真的为半月形，则光机输出的光斑也大概率是这个形状。个人猜测这个设计主要是为了减小SRG在耦入的地方常见的一个问题，即耦入光栅对耦入光的二次衍射。

当光机的光斑在进入耦入光栅后开始全反射乃至进入人眼的伟大征程之前，有相当一部分光会不幸地出师未捷身先回，即再一次打在耦入光栅上，被直接衍射出去。这一部分光会造成极大的能量损失，还有可能打在屏幕表面玻璃上再返回光栅形成鬼像。

如Bernard Kress博士的文献说明。个人猜测耦入光栅这一形状或许是为了降低这种效应，以弥补一部分颜色microLED的光效低的问题。（如此可能也部分解答了我们上一篇文章对光机体积的一些疑问）

三、光机、波导层数、光栅Layout和多焦面问题

之所以要这么麻烦地把三块单色的microLED屏幕做成独立的光机排开成L字阵列，而不做成眼下中国常见的xcube棱镜合色光机，有可能是觉得xcube太重，或者会影响光效等。毕竟，Meta没有“卷”光机体积的必要嘛。👀

那么目前又一个问题浮出水面了，即Orion到底有几层波导？

从产品的角度来讲，肯定希望只用单层波导就完成任务。如果只有单层波导的话，可以把整个波导想象成一个70度的单片全彩波导，耦入光栅的周期一样，匹配三种不同颜色的光。如此耦出光栅的周期也就能匹配了，避免k矢量无法闭合，造成fov不全、色散、mtf降低等问题。

另外，具体光栅的Layout考虑方面，就如之前文章中说的，Meta可能也在FOV和均匀性补偿上花了心思：

上图深圳光舟半导体的一些专利中，即有类似的三个光机及两个方向EPE的思路：由于光栅的角度响应带宽限制，往往同一个光栅结构很难兼顾RGB三色光同时达到较好的均匀性。因此将三个颜色的通道分开由不同的光栅来承担，比如蓝色走上方EPE，红色走下方EPE，绿色两边都走，是一个比较好的提升均匀性方法。

在k空间中分别从顺时针和逆时针闭合，如上图

同时Meta利用了双面压印的特点，进一步压缩了整个光栅的面积。如下图，可以理解成右方Meta波导的一维光栅单独存在的区域，可看作等效左边光舟专利里作为右上方和左下方的EPE。而重叠区域则形成了类似光舟右下方二维光栅的耦出功能，从而更加紧凑。

最后，不管是哪一种，单片波导的多焦面估计是无法实现了。只能认为扎克伯格和光头哥那句“把hologram放在不同深度”是随口一提了……👀毕竟也合理，如果真的实现了，以Meta发布会的调性，肯定会强调一下的。

当然还存在更多的情况，比如说正反两面的光栅设计分别为一维或二维，或都是二维，甚至光机也不是专利里描述的单色而是全彩等。不过我个人认为这些架构过于复杂了，尤其是对工艺压力会巨大无比。

4. 还是低估了Meta的钞能力：不下决心投入，半吊子是没有未来的。

波导刻蚀由来已久，最早主要采用方是芬兰波导公司Dispelix。TiO2直接刻蚀成型光栅，可以提升波导均匀性，金属光栅的保型可能也比传统的压印胶要优秀。但其相较传统压印工艺多了好几个步骤，理论上大幅增加了工艺miss的可能性。即便是Dispelix目前也未能实现量产。

不过还是低估了Meta的钞能力，因为Meta采用的是碳化硅上双面刻蚀光栅的工艺，相当于正反两面都要刻，如此大面积的光栅刻蚀，相信刻一面的良率已经不会高。如果有一面刻坏了，那就是整片报废。如果还引入连续深度变化刻蚀以进一步调制eyebox均匀性，则良率乃至成本不可预估。

当然Orion是不计成本把最先进技术加上去的概念机，这些不需要考虑。接下来就是如何把这些不计成本投入的技术，进一步变成消费者可以接受的一般商业产品了，这可能会花费很多很多年。

个人认为Orion的另一意义，还是在继HoloLens之后，终于有巨头企业再次推出了SRG衍射波导产品。虽然我们可以在各大公司的专利库里看到各种衍射波导的身影，但和实际产品做出来，还是完全不一样。此时离2019年的HoloLens2已经过去5年了。这似乎进一步证明了这种技术明确的未来前景，当然也侧面说明了这种技术的开发难度和成本有多大。不下决心投入，半吊子是没有未来的。

只能说，人类的未来和科技发展需要钞能力，但最重要的当然还是有意愿用钞能力去投入的先驱。

比如阿扎、阿马、阿乔、阿盖…🕶️

原文始发于微信公众号（光学显示观察）：深入Meta AR眼镜光学架构：还是低估了Meta的钞能力