那么，光波导的事情事理是若何的？市情上各类各样的阵列光波导、几何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么不同？它又是如何一步步改变AR眼镜市场格局的？
一、光波导，一个应AR眼镜需求而生的光学方案
增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域，它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素， 通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。
不同之处在于，AR眼镜须要透视(see-through)，既要看到真实的外部天下，也要看到虚拟信息，以是成像系统不能挡在视线前方。这就须要多加一个或一组光学组合器(optical combiner)，通过“层叠”的形式， 将虚拟信息和真实场景融为一体，相互补充，相互“增强”。
图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼显示系统的示意图; (b) 增强现实(AR)近眼显示系统的示意图。
NED：近眼显示(Near-eye display，简称NED)
AR设备的光学显示系统常日由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的AR眼镜采取的显示系统便是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，个中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。
微型显示屏，用来为设备供应显示内容。它可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED，也可以是须要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，还有基于微机电系统(MEMS)技能的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。
这里做了一张大略的AR光学显示系统的分类和产品举例：
由于本文紧张阐述光波导的事情事理和特点，对其它光学方案不做详细先容，关于几种方案的差异，之前也有较多文章进行了阐述。很显然，完美的光学方案还没有涌现，才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的状态，这须要AR眼镜的产品设计者依据运用处景、产品定位等来做权衡取舍。我们认为，光波导方案从光学效果、外不雅观形态，和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。
二、光波导是如何事情的
在上述光学成像元件中，光波导技能是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件，因它的轻薄与外界光芒的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采取和量产，关于光波导的谈论热度也在持续增加。
实在，波导技能并不是什么新发明，我们熟习的光通信系统中，用来传输旗子暗记的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，便是波导的一种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。
在AR眼镜中，要想光在传输的过程中无丢失无泄露，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射提高而并不会透射出来。大略来说达到全反射须要知足两个条件：(1) 传输介质即波导材料须要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1> n2); (2) 光进入波导的入射角须要大于临界角θc.
图 2. 全反射事理示意图
光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”事理将光传输到眼睛前方再开释出来。这个过程中波导只卖力传输图像，一样平常情形下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，以是它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。
光波导的这种特性，对付优化头戴的设计和美化外不雅观有很大上风。由于有了波导这个传输渠道，可以将显示屏和成像系统阔别眼镜移到额头顶部或者侧面，这极大降落了光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而改进了设备的佩戴体验。
这里将波导技能的紧张优点和不敷罗列如下，希望读者阅读完本文后会对背后的缘由更加理解。
优点
增大动眼框范围从而适应更多人群，改进机器容差，推动消费级产品实现 – 通过一维和二维扩瞳技能增大动眼框。
成像系统旁置，不阻挡视线并且改进配重分布 – 波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。
外不雅观形态更像传统眼镜，利于设计迭代 – 波导形态一样平常是平整轻薄的玻璃片，其轮廓可以切割。
供应了“真”三维图像的可能性 – 多层波导片可以堆叠在一起，每层供应一个虚像间隔。
不敷
光学效率相对较低 – 光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有丢失，并且大的动眼框使得单点输出亮度降落。
几何波导: 繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。
衍射波导: 衍射色散导致图像有“彩虹”征象和光晕，非传统几何光学，设计门槛较高。
图 3. 基于波导的AR眼镜外不雅观事理示意图
三、光波导的不同分类
如文章第二部分所提，波导构造的根本是轻薄透明的玻璃基底(一样平常厚度在几毫米或亚毫米级别)，光通过在玻璃高下表面之间来回“全反射”提高。
如果我们基于全反射的条件做一个打算，会创造只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了AR眼镜终极的视场角(FOV)范围。
简而言之，越是大的视场角，就须要越高折射率的玻璃基底来实现。因此传统玻璃制造商比如康宁(Corning)和肖特(Schott)，近年来都在为近眼显示市场研制专门的高折射率并且轻薄的玻璃基底，还在努力不断增大晶元尺寸以降落波导生产的单位本钱。
有了高折射率玻璃基底，差异波导类型就紧张在于光进出波导的耦合构造了。光波导总体上可以分为几何光波导（Geometric Waveguide）和衍射光波导（Diffractive Waveguide）两种，几何光波导便是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司因此色列的Lumus，目前市场上还未涌现大规模的量产眼镜产品。
衍射光波导紧张有利用光刻技能制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技能制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating)， HoloLens 2，Magic Leap One均属于前者，全息体光栅光波导则是利用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采取的便是全息体光栅，其余致力于这个方向的还有Digilens。这个技能还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限定也比较大。
这里还要差异一下真正的“全息技能”，实在这一贯是个误区，全息光栅只是由于利用了类似于全息摄影的事理来制造的，即用两束激光形成干涉条纹来调制光栅材料的特性以形成“折射率周期”，光栅本身并不能够全息成像。
四、几何光波导的事情事理及优缺陷
限于文章篇幅的缘故原由，今天主要剖析几何波导的事情事理和优缺陷，下一篇再重点剖析衍射波导。
图 4. 光波导的种类: (a) 几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的事理示意图, (b) 衍射式光波导和表面浮雕光栅的事理示意图， (c) 衍射式光波导和全息体光栅的事理示意图。
“几何光波导”的观点最先由以色列公司Lumus提出并一贯致力于优化迭代，至今差不多快二十年了。按图4(a)所示，耦合光进入波导的一样平常是一个反射面或者棱镜。在多轮全反射后光到达眼镜前方时，会碰着一个“半透半反”镜面阵列，这便是耦合光出波导的构造了，也便是几何光波导里的“光组合器”。
“半透半反”(确切说是“部分透部分反”)的镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光芒形成一个特定角度的表面，每一个镜面会将部分光芒反射出波导进入人眼，剩下的光芒透射过去连续在波导中提高。然后这部分提高的光又碰着另一个“半透半反”镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的末了一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。
在传统光学成像系统中，图像常日只有一个“出口”，叫做出瞳。这里的“半透半反”镜面阵列相称于将出瞳沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像，这便是一维扩瞳技能(1D EPE)。
详细解释，假设进入波导“入瞳”的是直径4毫米的光束，由于波导只卖力传输而并不把图像放大缩小等，那么“出瞳”的也是4毫米的光束，在这种情形下人眼的瞳孔中央只能在这4毫米的范围内移动并且仍能看到图像。
这样的问题是，不同性别和年事的人双眼瞳孔间距可能从51毫米到77毫米不等，如果近眼显示系统的光学中央依据瞳距的均匀值(63.5毫米)位置来设计，这就意味着有很大一部分人戴上这个眼镜看不到清晰的图像或完备吸收不到图像。
有了这个扩瞳技能，动眼框范围常日能从最初的4毫米旁边扩大到10毫米以上。你可能会产生疑问，多个出瞳，这样眼睛不会看到重影么？放心吧，出瞳面只是图像的“傅里叶面”，人眼瞳孔会从这个面截取完全的图像信息并用自带的“透镜”晶状体会将出瞳面透射到真正的“像面”（视网膜）上，因而同一角度的光还是会汇聚到同一个像素（视觉细胞），不会涌现重影。
可能有点难明得，但这是扩瞳技能可行的精髓。动眼框的扩大办理了产品设计中的很多问题，例如机器设计容差、产品规格数目(需不须要分男版和女版)、用户交互体验等，将AR眼镜向消费级产品的实现大大推动了一步。
但是天下没有免费的晚餐，复制出瞳导致总的出光面积增大，自然而然在每一个出瞳的位置看到的通光量就减小了，这也是引起波导技能光效率比传统光学系统偏低的缘故原由之一。
几何光波导利用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程，没有牵扯到任何微纳米级构造。因此图像质量包括颜色和比拟度可以达到很高的水准。
但是，工艺流程比较繁冗，个中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中会越来越少，那么阵列中这五六个镜面的每一个都须要不同的反射透射比(R/T)，以担保全体动眼框范围内的出光量是均匀的。
并且由于几何波导传播的光常日是偏振的(来源于LCOS微型显示屏的事情事理)，导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几乃至几十层。其余，这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用分外的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。
因此，纵然每一步工艺都可以达到高良率，这几十步结合起来的总良率却是一个寻衅。每一步工艺的失落败都可能导致成像涌现瑕疵，常见的有背景玄色条纹、出光亮度不屈均、鬼影等。
其余，虽然随着工艺的优化镜面阵列已经险些做到“不可见”，但在关掉光机的情形下仍旧可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列)，可能会遮挡一部分外部视线，也影响了AR眼镜的都雅。
作者先容：李琨，浙江大学光电系本科毕业，美国加州伯克利大学电子工程系博士毕业，紧张研究方向包括光学成像系统、光电子器件、半导体激光器和纳米技能等。现就职位于美国旧金山湾区的Rokid R-lab，担当光学研究科学家和多个项目卖力人。
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