AR眼鏡用光波導最新技術分析-上篇

AR眼鏡用波導waveguide分幾何反射光波導和光柵衍射光波導。

光波導的本質是 一片高折射率透明基底，從基底側邊通過特定結構耦合入圖像源的光束，在基底內進行全反射傳播，傳遞到靠近人眼處，再通過特定結構耦合出，進入人眼，形成圖像。

無論幾何波導還是光柵波導，圖像源和基底是相似的。圖像源可以是各種類型的微顯示如LCOS(硅上反射液晶)，Micro-OLED，Micro-LED,也可以是激光結合微鏡掃描LBS?；淄ǔ＿x用高折射率的玻璃或樹脂。通常選用玻璃，玻璃折射率更高，耐鍍膜性能好，能夠承受各類半導體蝕刻工藝。折射率高，意味著全反射角較小，可以容納更多角度光線內部傳輸，意味著視場角FOV會較大。但玻璃也意味著重量較重。

幾何波導和光柵波導的主要差異點在于耦入結構和耦出結構。從圖1中，可以看出，耦入結構的作用是使得圖像源的光線變換角度斜入射進入基底，滿足全反射條件;耦出結構，是使得基底內部傳輸的該斜光線變換方向，垂直射出到人眼。各方案略有差別，但本質如上所述。

幾何波導的耦入方式如圖2，通常是圖像源斜入射結合棱鏡進入基底，耦出結構是一個個鍍了不同配比的半透反膜，反射部分光線出，到人眼。透射部分光線繼續內部傳輸，再次部分反射出，到人眼，形成擴瞳，即一定的眼動框eyebox。這一個個鍍膜鏡面需要精準控制位置角度和鍍膜特性，導致了擴瞳困難，圖像一致性難以保證，還有雜光和鬼影問題。幾何波導里，涉及到的最重要公式就是反射定律：θ1=θ2  。請注意這個公式，角度的控制，僅與幾何角度有關，使得圖像顯示顏色和細節相對來說更好控制。

光柵衍射波導如圖3，耦入和耦出結構都是一定周期和形態的光柵。光柵衍射有0級、±1級等等，不同級的角度不同，能量也不同。通過設置光柵的參數，可以使得光線能量大部分聚集于某一個角度的級次，實現了對光線方向的控制。衍射波導里面，涉及到的最重要公式是：mλ=d(sinα±sinβ)，其中m是衍射光柵的光柵級次、λ是衍射波長、α是入射角、β是衍射角，d是光柵常數。從上述公式可以看出，光線的角度控制與波長密切相關，波長越長，衍射角度越大，同時各級次的衍射有共存性。對于全彩色畫面來說，光源的紅綠藍三基色都有一定的光譜寬度，即使使用激光光源，波長仍有一定的范圍，這意味光線偏離設計方向，導致色差、彩虹紋現象。同時各級次的共存導致漏光鬼影問題。

幾何反射波導，最早由以色列公司公司Lumus研發設計出來，并于2000年左右撰寫了一系列經典專利，包含設計基本原理，各反射鏡的鍍膜要求，雜散光抑制和二維擴瞳方法，所有精髓盡在其中。到今天，20年的歷程中，Lumus開發了一系列產品，主要銷售給航空航天等領域，共計銷售量25000多片。以Lumus在2021年5月份推出的最新一款，也是全球第一款二維擴瞳產品OE-Maximus為例，其FOV達到50度，分辨率達到2K，如圖4。

OE-Maximus中光波導透明區的每一條暗條紋都對應一個鍍膜面，橫向擴瞳涉及14個，垂直耦出區涉及12個，這26個鍍膜面鍍膜特性都是不同的，是經過精心設計的。一層一層玻璃鍍好膜，大片粘貼在一起，然后側面斜切。最后拼接形成完整的耦入區、擴瞳區和耦出區的波導片，再與光學引擎結合在一起，構成完整的模組，如圖5。

最早Lumus推出的是一維擴瞳產品，鍍膜面數目相對較少，但是為保證合理的眼動框，光學引擎需要做得很大，不利于眼鏡集成。到目前為止，一維擴瞳產品依然是Lumus主力銷售產品，但由于工藝復雜，一致性較差，綜合性能不高，僅在有限領域獲得應用。二十年兩萬多個模組的銷量，是官方數據，側面也印證了幾何波導尚待繼續突破。

OE-Maximus實際成像的拍照如圖6，存在明顯畸變，中心區域清晰度不錯，邊緣清晰度不高，畫面亮度均勻性也不是很理想，存在暗角。這已代表當下最高水平的幾何波導。為什么這么難做，下文從幾何波導涉及的核心工藝，鍍膜和拼接講起。

幾何波導的各反射鏡鍍膜，一方面要控制反射率，保證在不同鏡面出反射的光強接近相同，使得眼動空框內的光強分布均勻;另一方面，要控制不同角度的透反特性。如圖所示，波導內部傳輸的光線方向有兩種，一種是32，一種是36，對于32光線，要使其以一定比例反射;對于36光線，使其盡可能100%透射，否則會形成雜散光。32和36光線的區別在于入射角度。所以要設計特殊鍍膜層，對于一定范圍內低角度入射，實現高反射，而對高于一定角度的入射光線呈現0反射即高透射，如圖7。此外，從典型鍍膜的波長透反曲線可以看到，在允許反射的不同角度區間對應的反射率并相同，這也導致了眼動框內出光均勻性控制好是非常困難的。

幾何波導如果采用一個個小玻璃棱鏡分別鍍膜再粘接，效率和良率會非常低，所以通常會采用另一種方式，由大片玻璃先鍍特定膜，再互相粘貼在一起，然后斜切割，拋光，形成波導片。這個工藝對玻璃的粘貼平整度、強度和精準度要求依然很高，如圖8。

1、垂直耦出區和橫向擴瞳區的反射面暗紋肉眼可見，做成眼鏡，外觀和普通眼鏡有明顯差距。陣列波導鏡片有耦出雜散光，導致外漏光，影響用戶體驗。

2、橫向擴瞳區占用了較大可視區光學面積，限制了眼動框Eyebox的進一步增大，條紋也影響了波導片的外觀。

3、多個不同反射面的精準鍍膜，工藝要求極高，易產生雜光鬼影。

4、玻璃貼合、切割的結構精確度、平整度要求極高，對畫質影響大。

5、即使采用二維擴瞳，眼動框內的畫面亮度色彩均勻性也達不到較高水準。

鴻蟻光電結合特定B端領域的市場需求，將于2021年下半年推出幾何波導產品RW0225，如下圖。該產品創新性地結合了折疊光路和高亮度Micro-OLED，使得耦入光學引擎體積更小，圖像質量更好。