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三、衍射波導

衍射波導用于近眼顯示最早由芬蘭的Nokia研究中心的Tapani Levola 于2006年提出。有三種光柵形態可以選擇,矩形光柵,閃耀光柵和傾斜光柵。矩形光柵的0級衍射占據了80%以上的能量,而有用的±1級衍射不到20%的能量利用;閃耀光柵用于可見光波段時,生產工藝精度要求非常高,導致大規模生產良率低;傾斜光柵的+1級或-1級的衍射光能量可以高達97%,更適合于波導衍射傳輸和成像。如圖1。

 
 

 
 
圖1

微軟在Tapani的基礎上,對表面傾斜光柵進行了產業化,2015年推出了Hololens第一代,堪稱AR頭戴產品的第一個里程碑。它采用了2維擴瞳,光柵區有三個,耦入、轉折和耦出區。圖像源是LCOS,波導片分了三層,分別對應R、G和B三色光。三層之間留有空氣隙來保證波導片內部的全反射。FOV僅有35度。如圖2。

 
 

 
 
圖2

2019年,微軟對光柵波導構架進行了大幅調整。圖像源采用激光束掃描LBS方式,波導片堆疊改為兩層設計。轉折區分為左右兩邊,分別對應不同視場。耦出區左右視場拼接后,FOV提升到了50度。如圖3。

 
 

 
 
圖3

表面傾斜光柵的制作工藝是先刻蝕母板,然后采用納米壓印技術進行復制,如圖4。母板制作工藝較為復雜,在SiO2襯底上先鍍100nm左右鉻,再鍍200nm左右光刻膠,然后采用激光干涉光刻照射光柵周期圖案。經過NaOH溶液顯影后,光刻膠層形成光柵狀。再經過氯干法刻蝕,光刻膠層脫離,光柵圖案轉移到鉻層。接下來進行反應離子束刻蝕,離子化的氬氣束通過一定的傾斜角投射到襯底上,形成光柵斜槽。再通過濕法刻蝕,去除鉻層,含有表面傾斜光柵的母板制作完成。納米壓印復制階段,首先母板表面做防粘連處理,然后通過注射噴嘴,將高折射率紫外固化膠滴在母板光柵面上,然后進行紫外光照射,固化后分離,最后得到塑膠的表面傾斜光柵。

 
 

 
 
圖4

表面傾斜光柵的供應鏈體系含原材料和設備。高折射率玻璃來自康寧和肖特,高折射率樹脂主要來自德國德路,母板材料主要來自日本凸版印刷,納米壓印設備主要是奧地利EVG。整體供應鏈體系嚴重依賴海外,如圖5。

 
 

 
 
圖5

衍射光柵存在以下三大問題,尚無根本性解決方案。

 

1、衍射光柵的肉眼可見性

 

 
 
圖6

光柵區域光,圖像會從外側泄露。使得佩戴者的眼睛被遮擋,外界無法看到,失去鏡片的透明特性,外觀遠遠達不到普通眼鏡的觀感。如圖6。

 

2、圖像彩虹問題

 

 
 
圖7

如上篇提到,衍射光柵的基本公式里,衍射角度與波長密切相關。這意味著不同波長的衍射角度不同。對于圖像光源來說,即使使用激光,仍然存在一定的波長范圍。這使得不同色彩出現了混疊,出現了如圖7所示的畫面顏色呈現彩虹狀。這是衍射波導的根本性問題,尚無解決方案。對于高畫質要求的觀影和游戲領域,衍射波導尚無法使用。

 

3、畫面細節模糊問題

無論是微軟的Hololens還是Waveoptics 衍射波導,畫面的細節都存在相當程度的模糊,如圖7。根據衍射光柵的耦合波理輪,衍射角度本身是一定范圍的存在,所以光線呈現一定的發散,導致了解像能力的下降。

 

雖然衍射光柵存在上述畫質問題,但在一些行業端,比如安防、工廠和物流等以信息提示為主的AR應用場景下,有一些應用。鴻蟻光電目前已完成了表面傾斜光柵的設計。光柵參數和衍射效率計算如圖8。鴻蟻光電自主設計的第一代衍射波導將于2021年年底推出,目標行業應用市場。

 
 

 
 
 

 
 
圖8

 
 
 

 

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2021年7月13日 16:38
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