​AR眼镜用光波导技术分析 下篇

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三、衍射波导

衍射波导用于近眼显示最早由芬兰的Nokia研究中心的Tapani Levola 于2006年提出。有三种光栅形态可以选择,矩形光栅,闪耀光栅和倾斜光栅。矩形光栅的0级衍射占据了80%以上的能量,而有用的±1级衍射不到20%的能量利用;闪耀光栅用于可见光波段时,生产工艺精度要求非常高,导致大规模生产良率低;倾斜光栅的+1级或-1级的衍射光能量可以高达97%,更适合于波导衍射传输和成像。如图1

 
 

 
 
图1

微软在Tapani的基础上,对表面倾斜光栅进行了产业化,2015年推出了Hololens第一代,堪称AR头戴产品的第一个里程碑。它采用了2维扩瞳,光栅区有三个,耦入、转折和耦出区。图像源是LCOS,波导片分了三层,分别对应R、G和B三色光。三层之间留有空气隙来保证波导片内部的全反射。FOV仅有35度。如图2

 
 

 
 
图2

2019年,微软对光栅波导构架进行了大幅调整。图像源采用激光束扫描LBS方式,波导片堆叠改为两层设计。转折区分为左右两边,分别对应不同视场。耦出区左右视场拼接后,FOV提升到了50度。如图3

 
 

 
 
图3

表面倾斜光栅的制作工艺是先刻蚀母板,然后采用纳米压印技术进行复制,如图4。母板制作工艺较为复杂,在SiO2衬底上先镀100nm左右铬,再镀200nm左右光刻胶,然后采用激光干涉光刻照射光栅周期图案。经过NaOH溶液显影后,光刻胶层形成光栅状。再经过氯干法刻蚀,光刻胶层脱离,光栅图案转移到铬层。接下来进行反应离子束刻蚀,离子化的氩气束通过一定的倾斜角投射到衬底上,形成光栅斜槽。再通过湿法刻蚀,去除铬层,含有表面倾斜光栅的母板制作完成。纳米压印复制阶段,首先母板表面做防粘连处理,然后通过注射喷嘴,将高折射率紫外固化胶滴在母板光栅面上,然后进行紫外光照射,固化后分离,最后得到塑胶的表面倾斜光栅。

 
 

 
 
图4

表面倾斜光栅的供应链体系含原材料和设备。高折射率玻璃来自康宁和肖特,高折射率树脂主要来自德国德路,母板材料主要来自日本凸版印刷,纳米压印设备主要是奥地利EVG。整体供应链体系严重依赖海外,如图5

 
 

 
 
图5

衍射光栅存在以下三大问题,尚无根本性解决方案。

 

1、衍射光栅的肉眼可见性

 

 
 
图6

光栅区域光,图像会从外侧泄露。使得佩戴者的眼睛被遮挡,外界无法看到,失去镜片的透明特性,外观远远达不到普通眼镜的观感。如图6

 

2、图像彩虹问题

 

 
 
图7

如上篇提到,衍射光栅的基本公式里,衍射角度与波长密切相关。这意味着不同波长的衍射角度不同。对于图像光源来说,即使使用激光,仍然存在一定的波长范围。这使得不同色彩出现了混叠,出现了如图7所示的画面颜色呈现彩虹状。这是衍射波导的根本性问题,尚无解决方案。对于高画质要求的观影和游戏领域,衍射波导尚无法使用。

 

3、画面细节模糊问题

无论是微软的Hololens还是Waveoptics 衍射波导,画面的细节都存在相当程度的模糊,如图7。根据衍射光栅的耦合波理轮,衍射角度本身是一定范围的存在,所以光线呈现一定的发散,导致了解像能力的下降。

 

虽然衍射光栅存在上述画质问题,但在一些行业端,比如安防、工厂和物流等以信息提示为主的AR应用场景下,有一些应用。鸿蚁光电目前已完成了表面倾斜光栅的设计。光栅参数和衍射效率计算如图8。鸿蚁光电自主设计的第一代衍射波导将于2021年年底推出,目标行业应用市场。

 
 

 
 
 

 
 
图8

 
 
 

 

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2021年7月13日 16:38
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