AR眼镜光学主流：光波导技术方案

1、引言

增强现实技术即AR技术是将虚拟信息与现实世界相互融合，属于下一个信息技术的引爆点，据权威预测增强现实眼镜将会取代手机成为下一代的协作计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，增强现实技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导（Lightguide）方案，前三种方案体积较大，限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用。全息透镜方案使用全息片独一无二的光学特性，具有大FOV和小体积的优势，但是受限于眼动范围比较小。波导是目前最佳的增强现实眼镜方案。波导方案又分为几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案。几何波导方案中一般包括锯齿结构波导和偏振薄膜阵列反射镜波导（简称偏振阵列波导）。其中主流的偏振阵列波导是使用阵列的部分透射部分反射薄膜镜来达到虚拟信息的显示的目的，偏振阵列波导方案具有轻薄、眼动范围大且色彩均匀的优势。浮雕光栅波导方案可以用纳米压印工艺进行大批量生产，引起了AR光学模组生产产商的极大兴趣，它具有大视场和大眼动范围的优势，但是也会带来视场均匀性和色彩均匀性的挑战，同时相关的微纳加工工艺也是巨大的挑战。体全息波导方案在色彩均匀性（无彩虹效应）和实现单片全彩波导上均有优势，但是目前在大规模量产和大视场上受到了限制。

图 1 为波导方案的基本显示原理，耦入区域用于将微投影光机的光束耦入到波导片中，使得光束满足在波导片中全反射传播的条件，耦出区域用于将全反射传播的光束耦出波导片并传到人眼。耦入区域可以是反射镜、棱镜、浮雕光栅和体全息光栅等。耦出区域可以是阵列半透半反射镜、浮雕光栅和体全息光栅等。本文将对波导方案和衍射波导加工工艺做进一步的阐述，并介绍珑璟光电在该领域相关的研发情况。

图1：波导方案原理图

2、几何波导方案

2．1 锯齿波导

其基本原理为在眼睛前方的位置，利用锯齿状的有一定反射率的反射面，将光反射耦出到人眼。

图2：第一类锯齿形波导片光学模组图

图3：第二类锯齿形波导片光学模组图

图4：局部锯齿形结构图

图 2 为一种具有锯齿斜面的结构［1］，斜齿结构如图 4 所示。波导片内传输的虚拟图像，从锯齿结构反射进入人眼，外部环境光，经过互补的两个锯齿结构，直接进入人眼而不受到影响。图3结构利用间隔的锯齿结构［2］，完成虚拟图像与外部环境图像合并。但是这种结构齿数越多杂散光越多，也影响对比度，降低成像质量。而且光线只在锯齿结构上经过一次反射就耦出到人眼，超过1次将为成为杂散光，如果要改善这种效果，就得增加波导片的厚度。同时多个锯齿结构上镀膜无疑增加了工艺难度。图 3 结构存在的问题就是能量利用率比较低，因为有一部分没有锯齿结构不能全部反射能量，即使通过一定的角度偏转来遮挡不反射的部分，不能兼顾全部视场角，在大视场角时能量损失尤为明显。

2．2 偏振阵列波导

Lumus公司产品如图 5（a） 所示［3］，这种方法与上述锯齿的波导相比有明显的优势，他的反射结构布满整个波导片。波导镜片中间的位置有角度选择的部分透部分反薄膜面，阵列排布，因此，我们通常称这种为偏振阵列波导技术。由于有多个部分透射部分反射面，每一个面会将部分光线反射耦出波导进入人眼，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镜面，重复上述的“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。如图 5（b）这样多次的反射，能将出射的光“调整”得比较均匀。

（a）

（b）

图5：

（a）Lumus偏振阵列波导产品图；

（b）珑璟光电偏振阵列波导光路图。