衍射光波導(dǎo)

引言

想象一下，如果《頭號(hào)玩家》中的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality, VR）世界能夠與我們的現(xiàn)實(shí)世界無縫融合，那將是怎樣一番景象？這正是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented reality, AR）技術(shù)所承諾的未來。在《頭號(hào)玩家》中，人們通過VR頭盔進(jìn)入一個(gè)完全虛擬的游戲世界——“綠洲”，為我們展示了一個(gè)充滿無限可能的未來。而AR技術(shù)則更進(jìn)一步，它將虛擬元素融入我們的現(xiàn)實(shí)世界，讓我們?cè)诒３謱?duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境感知的同時(shí)，享受到數(shù)字信息帶來的便利和樂趣。在現(xiàn)實(shí)生活中，AR技術(shù)正逐漸滲透到我們的日常生活中，從娛樂到教育，從工業(yè)到醫(yī)療，它正在改變我們的工作和互動(dòng)方式。

技術(shù)簡介

衍射光波導(dǎo)，作為一種微光學(xué)解決方案，其核心在于光柵的物理結(jié)構(gòu)。它利用光的衍射和全內(nèi)反射（Total Internal Reflection, TIR）條件將遠(yuǎn)場(chǎng)光線傳輸至近眼處，并投射到外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)圖像與外部環(huán)境的自然融合。在光波導(dǎo)中，為了確保光線在到達(dá)人眼之前能在波導(dǎo)中完全反射，進(jìn)入波導(dǎo)的光的入射角需要大于臨界角。

圖1 衍射光波導(dǎo)示意圖

圖片來源：Waveguide-based augmented reality displays: perspectives and challenges (10.1186/s43593-023-00057-z)

衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：圖像顯示源、投影準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)以及集成了入射光柵和出射光柵的平面波導(dǎo)元件。工作過程中，投影光學(xué)系統(tǒng)首先將光引擎發(fā)出的光準(zhǔn)直成平行光，隨后這些平行光在波導(dǎo)中傳播，并通過入射光柵滿足TIR條件。經(jīng)過多次TIR迭代后，光線最終通過出射光柵從波導(dǎo)中衍射出來，進(jìn)而進(jìn)入人眼。

圖2 衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

在平面衍射光學(xué)波導(dǎo)中，光柵扮演著至關(guān)重要的角色，其周期性結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)光在波導(dǎo)的耦入，轉(zhuǎn)折，和耦出的關(guān)鍵。根據(jù)不同的周期性結(jié)構(gòu)形式，平面衍射波導(dǎo)主要分為兩種類型：表面浮雕光柵（Surface relief grating, SRG）和體積全息光柵（Volume holography grating, VHG）波導(dǎo)。接下來，我們將簡單介紹這兩種光柵波導(dǎo)的性能特點(diǎn)和制造工藝。

1表面浮雕光波導(dǎo)

在平面衍射波導(dǎo)技術(shù)中，一維衍射光柵是關(guān)鍵元件，它在特定方向上具有周期性結(jié)構(gòu)，允許調(diào)制光在波導(dǎo)中沿不同階次傳播。光柵的衍射效率可通過嚴(yán)格耦合波分析（Rigorous coupled wave analysis, RCWA）計(jì)算，并通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)如槽深和傾斜角進(jìn)行優(yōu)化。矩形光柵常被用于衍射光波導(dǎo)的耦合器件，其中準(zhǔn)直光束通過耦合光柵衍射，以全內(nèi)反射在波導(dǎo)內(nèi)傳播，最終通過輸出耦合光柵被雙眼接收。傾斜的表面浮雕光柵通過打破對(duì)稱性，在特定階次上實(shí)現(xiàn)高衍射效率。

圖3 矩形光柵與傾斜光柵示意圖

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足眼睛移動(dòng)的需求，需要在輸出耦合端進(jìn)行出瞳擴(kuò)展以擴(kuò)大眼盒范圍。這要求精確設(shè)計(jì)輸出耦合衍射光柵元件，使得光線在TIR傳播過程中沿一維方向擴(kuò)展出瞳。

圖4 衍射光柵擴(kuò)瞳示意圖

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

對(duì)于全彩顯示，單層衍射波導(dǎo)在紅綠藍(lán)光線的全反射方面面臨挑戰(zhàn)，特別是紅光的視場(chǎng)角（Field of view, FOV）受限。為擴(kuò)展視場(chǎng)角，可以采用多層波導(dǎo)堆疊結(jié)構(gòu)，每層波導(dǎo)具有不同的光柵周期以適應(yīng)不同波長。

圖5 多層衍射光波導(dǎo)示意圖

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

SRG的制造通常涉及聚焦離子束（Focused ion beam, FIB）制造、反應(yīng)離子刻蝕（Reaction ion etching, RIE）和電子束光刻（Electron beam lithography, EBL）等半導(dǎo)體加工技術(shù)。然而，這些方法成本高昂，且對(duì)設(shè)備和環(huán)境要求嚴(yán)格。納米壓印光刻（Nanoimprint lithography, NIL）技術(shù)，特別是結(jié)合柔性聚合物模板（Soft polymer stamp, IPS）工藝，為大量生產(chǎn)SRG光波導(dǎo)提供了更經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

圖6 納米壓印及其模版制造流程示意圖

圖片來源：Nanoimprint lithography: methods and material requirements. (10.1002/adma.200600882)

盡管SRG技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在設(shè)計(jì)和工藝方面仍面臨挑戰(zhàn)。角度和波長選擇性導(dǎo)致的色散問題可能引發(fā)彩虹效應(yīng)，而高階衍射光可能導(dǎo)致光泄漏。此外，傾斜光柵的角度和線寬深度比例需嚴(yán)格控制，以避免壓印光柵坍塌。制造設(shè)備的昂貴成本和特殊環(huán)境要求也是限制SRG進(jìn)一步應(yīng)用的因素。

圖7 VHG光波導(dǎo)（左）與SRG光波導(dǎo)（右）漏光對(duì)比

圖片來源：https://www.digilens.com/smartglasses/

2體全息光波導(dǎo)

VHG光波導(dǎo)是衍射光波導(dǎo)技術(shù)的另一種重要解決方案。VHG是一種基于干涉原理的三維周期性折射率結(jié)構(gòu)，理論上在滿足布拉格條件時(shí)，其衍射效率可接近100%，但隨著偏離角度的增加，衍射效率會(huì)有所降低。

隨著Kogelnik在1969年提出了耦合波理論來分析VHG的衍射特性，人們可以精確預(yù)測(cè)不同全息光柵參數(shù)下的光柵衍射效率。隨后提出并設(shè)計(jì)了多款基于全息衍射元件的頭戴式顯示器（HMD）。當(dāng)光線在玻璃基底內(nèi)完全反射時(shí)，遇到全息表面會(huì)發(fā)生衍射，從而不再滿足全反射條件并從玻璃板透射出去。此外，該技術(shù)還能調(diào)整入射瞳孔大小以實(shí)現(xiàn)光出射區(qū)域的連續(xù)性。

圖8 基于棱鏡耦合的VHG光波導(dǎo)

在色彩顯示方面，最早是由索尼在2008年通過多層全息層疊加技術(shù)開發(fā)了一種全色波導(dǎo)顯示器。這種波導(dǎo)設(shè)計(jì)基于多層輸入耦合和輸出耦合的反射體全息光柵堆疊。然而，多層全息波導(dǎo)的疊加可能引發(fā)雜散光問題，因此索尼通過將顯示器和準(zhǔn)直器的光軸相對(duì)于耦合入的光波導(dǎo)傾斜10°，有效減少了視場(chǎng)兩端之間的布拉格視差，并提高了色域。后來，研發(fā)人員進(jìn)一步開發(fā)了一種與理想鏡面條紋結(jié)構(gòu)略有偏差的雙面耦合全息光學(xué)元件（HOE），在不損失均勻性的情況下顯著提高了亮度，并擴(kuò)大了視場(chǎng)。

圖9 雙層全彩VHG光波導(dǎo)示意圖

在生產(chǎn)過程中，體全息光柵是通過激光照射感光材料形成的。體全息光波導(dǎo)的制造過程涉及冷加工技術(shù)、材料噴涂技術(shù)以及雙光束干涉曝光等技術(shù)。水晶光電是一家領(lǐng)先的光學(xué)元件制造商，專注于光學(xué)鍍膜、AR光學(xué)和半導(dǎo)體光學(xué)。其與DigiLens的合作為各種光學(xué)解決方案的質(zhì)量制造打下了基礎(chǔ)，這些解決方案可供AR開發(fā)人員制造低成本AR設(shè)備。水晶光電AR團(tuán)隊(duì)目前與美國Digilens深度合作，共同打造了全球首家實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的全息光波導(dǎo)產(chǎn)線。

圖10 水晶光電Gen3.1全彩VHG光波導(dǎo)

圖片來源：水晶光電

與SRG和幾何光波導(dǎo)相比，VHG波導(dǎo)的研發(fā)成本更低，生產(chǎn)工序少、速度更快。VHG波導(dǎo)的生產(chǎn)主要受到全息材料的限制。目前主流的全息材料有光聚合材料或液晶材料，不同材料的性能也不同，這直接影響到涂層的均勻性、波導(dǎo)的視場(chǎng)角和其他光學(xué)性能。此外，體全息光波導(dǎo)在曝光和生產(chǎn)過程中的環(huán)境穩(wěn)定性要求非常嚴(yán)格。濕度、溫度和空氣流動(dòng)性都會(huì)影響曝光。針對(duì)體全息光波導(dǎo)的量產(chǎn)難點(diǎn)，水晶光電打通多個(gè)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完成全生產(chǎn)流程的閉環(huán)，打造了一條集制造、測(cè)試、封裝為一體的體全息光波導(dǎo)產(chǎn)線。

XR研究所

XR光學(xué)技術(shù)研究所深耕AR/VR領(lǐng)域十余年，專注于XR核心光學(xué)顯示模塊相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品及工藝研發(fā)。聚焦波導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化，微型光機(jī)模組設(shè)計(jì)及開發(fā)。產(chǎn)品類型包括單色，全彩等一系列體全息衍射波導(dǎo)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，以及基于不同顯示芯片的一系列微型光機(jī)模組。