要想光機(jī)產(chǎn)生的虛像被光波導(dǎo)傳遞到人眼，需要有一個(gè)光耦合入(couple-in)和耦合出(couple-out)波導(dǎo)的過(guò)程，在幾何光波導(dǎo)里這兩個(gè)過(guò)程都是由傳統(tǒng)光學(xué)元器件比如棱鏡、“半透半反”鏡面陣列完成的，過(guò)程簡(jiǎn)單易懂，但是具有體積和量產(chǎn)工藝上的挑戰(zhàn)。在衍射光波導(dǎo)里，傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)被平面的衍射光柵(Diffractive Grating)取代，它的產(chǎn)生和流行得益于光學(xué)元件從毫米級(jí)別到微納米級(jí)別，從“立體”轉(zhuǎn)向“平面”的技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)。那么衍射光柵是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，這個(gè)周期可以是材料表面浮雕出來(lái)的高峰和低谷 (圖4b)，也可以是全息技術(shù)在材料內(nèi)部曝光形成的“明暗干涉條紋”(圖4c)，但歸根結(jié)底都是在材料中引起了一個(gè)折射率n (refractive index)的周期性變化。這個(gè)周期一般是微納米級(jí)別的，與可見(jiàn)光波長(zhǎng)(~450-700nm)一個(gè)量級(jí)，才能對(duì)光線產(chǎn)生有效的操控。
衍射光柵的“分光”體現(xiàn)在兩個(gè)維度，如圖5中所示，假設(shè)入射光是單一波長(zhǎng)的綠光，它會(huì)被衍射光柵分成若干個(gè)衍射級(jí)(diffraction order)，每一個(gè)衍射級(jí)沿著不同的方向繼續(xù)傳播下去，包括反射式衍射(R0, R±1, R±2,…)和透射式衍射(T0, T±1, T±2,…)的光線，每一個(gè)衍射級(jí)對(duì)應(yīng)的衍射角度(θm， m=±1, ±2, …)由光線的入射角(θ)和光柵的周期(Λ)決定，通過(guò)設(shè)計(jì)光柵的其他參數(shù)(材料折射率n、光柵形狀、厚度、占空比等)可以將某一衍射級(jí)(即某一方向)的衍射效率優(yōu)化到最高，從而使大部分光在衍射后主要沿這一方向傳播。圖 (a) 表面浮雕光柵的部分衍射級(jí)和色散示意圖, (b) 全息體光柵的部分衍射級(jí)和色散示意圖， (c) 衍射光柵與分光棱鏡的對(duì)比示意圖。這就起到了與傳統(tǒng)光學(xué)器件類(lèi)似的改變光線傳播方向的作用，但是它所有的操作又都是在平面上通過(guò)微納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，所以非常節(jié)省空間，自由度也比傳統(tǒng)光學(xué)器件大很多。對(duì)于光波導(dǎo)而言，這一衍射角度還需要滿(mǎn)足玻璃基底里的全反射條件才能在波導(dǎo)中傳播，這在上一篇中有分析過(guò)。在將入射光分成不同衍射級(jí)的基礎(chǔ)上，衍射光柵的另一“分光”維度體現(xiàn)在色散，即對(duì)同一光柵周期來(lái)說(shuō)，不同波長(zhǎng)的衍射角度(θm)也不同。如圖5所示，假設(shè)入射光是白光，那么波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光線衍射角度越大，即圖示的衍射角紅光(R)>綠光(G)>藍(lán)光(B)，這一色散作用在反射衍射和透射衍射中都會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。這個(gè)現(xiàn)象是不是看上去有點(diǎn)熟悉？我想大家小時(shí)候都玩過(guò)棱鏡，太陽(yáng)光(白光)通過(guò)它之后也會(huì)被分光成“彩虹”，只不過(guò)它的分光原理是光的折射作用而非衍射作用。圖5(c)將衍射光柵的分光現(xiàn)象(包括多衍射級(jí)和色散作用)與棱鏡的分光色散做了直觀的對(duì)比，可以看到衍射光柵將光分成不同衍射級(jí)別的同時(shí)，每一個(gè)級(jí)別又都有色散現(xiàn)象，比分光棱鏡要復(fù)雜很多。歡迎大家長(zhǎng)按下方圖片識(shí)別二維碼加入微信群：
了解了衍射光柵的工作原理之后，我們來(lái)看一下它如何在光波導(dǎo)中工作的。
在幾何光波導(dǎo)中利用“半透半反”鏡面陣列可以實(shí)現(xiàn)一維擴(kuò)瞳，如果我們將這個(gè)概念轉(zhuǎn)移到衍射光波導(dǎo)里，如圖6(a)所示，可以簡(jiǎn)單地用入射光柵來(lái)將光耦合入波導(dǎo)，然后用出射光柵代替鏡面陣列。即像蛇一樣在波導(dǎo)里面“游走”的全反射光線在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時(shí)候就有一部分光通過(guò)衍射釋放出來(lái)進(jìn)入眼睛，剩下的一部分光繼續(xù)在波導(dǎo)中傳播直到下一次打到波導(dǎo)表面的光柵上，不難理解一維擴(kuò)瞳即可以實(shí)現(xiàn)了。圖 衍射光波導(dǎo)中的擴(kuò)瞳技術(shù): (a) 一維擴(kuò)瞳, (b) 利用轉(zhuǎn)折光柵實(shí)現(xiàn)的二維擴(kuò)瞳， (c) 利用二維光柵實(shí)現(xiàn)的二維擴(kuò)瞳。但是人們并不滿(mǎn)足于在一個(gè)方向上(即沿雙眼瞳距的X方向)增大動(dòng)眼框，既然光柵結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)光學(xué)器件能夠在更大的自由度上操控光的特性，那么我們何不在另一個(gè)方向上(即沿鼻梁的Y方向)也實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳呢，這樣不只可以使得AR眼鏡能夠接受更大范圍的瞳距，也可以對(duì)不同臉型、鼻梁高度的人群更有兼容性。用衍射光柵實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳的概念十幾年前由位于芬蘭的Nokia研究中心的科學(xué)家Dr. Tapani Levola提出，并且給業(yè)內(nèi)貢獻(xiàn)了許多有價(jià)值的論文，主要使用的是表面浮雕光柵(SRG)。后來(lái)這部分IP分別被Microsoft和Vuzix購(gòu)買(mǎi)或者獲得使用執(zhí)照(license)，所以現(xiàn)在的HoloLens I和Vuzix Blade用的都是類(lèi)似的光柵結(jié)構(gòu)和排布。如圖6(b)所示，另一個(gè)全息體光柵(VHG)的代表光學(xué)公司Digilens也是用類(lèi)似的三區(qū)域光柵排布來(lái)實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳。可以看到當(dāng)入射光柵(input grating)將光耦合入波導(dǎo)后，會(huì)進(jìn)入一個(gè)轉(zhuǎn)折光柵(fold/turn grating)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的光柵溝壑方向與入射光柵呈一定角度，為了方便理解我們假定它是45度角，那么它就像一個(gè)45度的鏡子一樣將X方向打來(lái)的光反射一下變成沿Y方向傳播。并且在這個(gè)轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，由于全反射行進(jìn)的光線會(huì)與轉(zhuǎn)折光柵相遇好幾次，每一次都將一部分光轉(zhuǎn)90度，另一部分光繼續(xù)橫向前進(jìn)，這就實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似圖6(a)的在X方向的一維擴(kuò)瞳，只不過(guò)擴(kuò)瞳后的光并沒(méi)有耦合出波導(dǎo)，而是繼續(xù)沿Y方向前進(jìn)進(jìn)入第三個(gè)光柵區(qū)域 – 出射光柵 (output grating)。出射光柵的結(jié)構(gòu)與入射光柵類(lèi)似，只不過(guò)面積要大很多而且光柵溝壑的方向與入射光柵垂直，因?yàn)樗袚?dān)著在Y方向擴(kuò)瞳的重任，過(guò)程與圖6(a)類(lèi)似，只不過(guò)它接受的是多個(gè)光束而非一個(gè)。我們假設(shè)單瞳(pupil)的入射光在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)折光柵后擴(kuò)展成M x 1個(gè)瞳(即一個(gè)X方向的一維陣列)，那么在經(jīng)過(guò)出射光柵后就被擴(kuò)展成了一個(gè)M x N的二維矩陣，其中N是光線在出射光柵區(qū)域全反射的次數(shù)即擴(kuò)瞳的個(gè)數(shù)。用轉(zhuǎn)折光柵實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳是一個(gè)比較直觀也是目前市面上主流產(chǎn)品如HoloLens I, Vuzix Blade, Magic Leap One, Digilens等采取的方式，其中三個(gè)光柵區(qū)域的面積、形態(tài)、排布方式可以根據(jù)眼鏡的光學(xué)參數(shù)要求和外形設(shè)計(jì)來(lái)靈活調(diào)節(jié)。另外一種實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳的方式是直接使用二維光柵，即光柵在至少兩個(gè)方向上都有周期，比較直觀來(lái)講就是單向“溝壑”變?yōu)橹鶢铌嚵小?lái)自英國(guó)的衍射光波導(dǎo)公司W(wǎng)aveOptics就是采用的這種結(jié)構(gòu)，如圖6(c)所示，從入射光柵(區(qū)域1)耦合進(jìn)波導(dǎo)的光直接進(jìn)入?yún)^(qū)域3，這個(gè)區(qū)域的二維柱狀陣列可以同時(shí)將光線在X和Y兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)束，并且一邊傳播一邊將一部分光耦合出來(lái)進(jìn)入人眼。可想而知這個(gè)二維光柵的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，因?yàn)樵诩骖櫠鄠€(gè)傳播方向的耦合效率同時(shí)還要平衡每個(gè)出瞳的出光均勻性。它的好處是只有兩個(gè)光柵區(qū)域，減少了光在傳播中的損耗，并且由于沒(méi)有了轉(zhuǎn)折光柵，出射光柵就可以在有限的玻璃鏡片上占據(jù)更大的面積，從而增大有效動(dòng)眼框的范圍。WaveOptics 40度FOV的模組動(dòng)眼框可以達(dá)到19 x 15 mm，是目前市面上的同類(lèi)產(chǎn)品中最大的。三、衍射光波導(dǎo)的優(yōu)缺點(diǎn)分析衍射光波導(dǎo)技術(shù)與幾何光波導(dǎo)相比主要優(yōu)勢(shì)在于光柵在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上的靈活性，不論是利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微納米制造生產(chǎn)工藝的表面浮雕光柵，還是利用全息干涉技術(shù)制成的體光柵，都是在玻璃基底平面上加鍍一層薄膜然后加工，不需要像幾何光波導(dǎo)中的玻璃切片和粘合工藝，可量產(chǎn)性和良率要高很多。另外，利用轉(zhuǎn)折光柵或者二維光柵可以實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳，使得動(dòng)眼框在鼻梁方向也能覆蓋更多不同臉型的人群，給人體工程學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)留了更大的容差空間。由于衍射波導(dǎo)在Y方向上也實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)瞳，使得光機(jī)在Y方向的尺寸也比幾何光波導(dǎo)的光機(jī)減小了。在幾何光波導(dǎo)中，需要在鏡面陣列中的每個(gè)鏡面上鍍不同R/T比的多層膜，來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)出瞳的出光均勻，需要非常繁冗的多步工藝。而對(duì)于衍射光柵來(lái)說(shuō)，只需要改變光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)例如占空比、光柵形狀等，將最終結(jié)構(gòu)編輯到光刻機(jī)、電子束曝光機(jī)、或者全息干涉的掩膜(mask)里，便可一步“寫(xiě)”到光柵薄膜上，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)出瞳的出光均勻。然而，衍射光波導(dǎo)技術(shù)也有它的不足，主要來(lái)源于衍射元件本身對(duì)于角度和顏色的高度選擇性，這在圖5中有所解釋。首先需要在多個(gè)衍射級(jí)別的情況下優(yōu)化某一個(gè)方向上的衍射效率從而降低光在其他衍射方向上的損耗。拿表面浮雕光柵的入射光柵來(lái)說(shuō)，圖6(a)中對(duì)稱(chēng)的矩形光柵結(jié)構(gòu)衍射到左邊的光并不會(huì)被收集傳播到眼睛里，相當(dāng)于浪費(fèi)了一半的光。因此一般需要采用如圖4(b)中的傾斜光柵(slanted grating)或者三角形的閃耀光柵(blazed grating)，使得往眼睛方向衍射的光耦合效率達(dá)到最高。這種傾斜的表面浮雕光柵在生產(chǎn)工藝上比傳統(tǒng)矩形光柵要求更高。然后就是如何對(duì)付色散問(wèn)題，如圖5中提到的，同一個(gè)衍射光柵對(duì)于不同的波長(zhǎng)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的衍射角度。
由于來(lái)自光機(jī)的是紅綠藍(lán)(RGB)三色，每個(gè)顏色包含不同的波長(zhǎng)波段。當(dāng)它們通過(guò)入射光柵發(fā)生衍射后，如圖7(a)所示，假設(shè)我們優(yōu)化的是+1級(jí)的衍射光即T+1, 對(duì)于不同的波長(zhǎng)衍射角θ+1T就會(huì)不同，即R>G>B。圖 衍射光波導(dǎo)中的色散問(wèn)題: (a) 單層光波導(dǎo)和光柵會(huì)引起出射光的“彩虹效應(yīng)”, (b) 多層光波導(dǎo)和光柵提高了出射光的顏色均勻性。由于這個(gè)角度的不同，光每完成一次全反射所經(jīng)歷的路程長(zhǎng)度也會(huì)不同，紅色全反射的次數(shù)少于綠色，而藍(lán)色全反射次數(shù)最多。由于這個(gè)差異，圖7(a)中的光在最終遇到出射光柵時(shí)(請(qǐng)看指向眼鏡的箭頭)，藍(lán)色會(huì)被耦合出3次(即出瞳擴(kuò)成3個(gè))，綠色2次，紅色1次，這會(huì)導(dǎo)致眼睛移動(dòng)到動(dòng)眼框的不同位置看到的RGB色彩比例是不均勻的。另外，即使同一顏色的衍射效率也會(huì)隨著入射角度的不同而浮動(dòng)，這就導(dǎo)致在整個(gè)視場(chǎng)角(FOV)范圍內(nèi)紅綠藍(lán)三色光的分布比例也會(huì)不同，即出現(xiàn)所謂的“彩虹效應(yīng)”。為了改善色散問(wèn)題，可以如圖7(b)所示將紅綠藍(lán)三色分別耦合到三層波導(dǎo)里面，每一層的衍射光柵都只針對(duì)某一個(gè)顏色而優(yōu)化，從而可以改善最終在出瞳位置的顏色均勻性，減小彩虹效應(yīng)。但是由于RGB LED每個(gè)顏色內(nèi)部也不是單一的波長(zhǎng)，而是覆蓋了一小段波長(zhǎng)段，仍然會(huì)有輕微的彩虹效應(yīng)存在，這是衍射光柵的物理特性導(dǎo)致的，色彩均勻性問(wèn)題只能通過(guò)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化但不能完全消除。最近問(wèn)世的Hololens II 則將LED光源換成了光譜很窄的激光光源，會(huì)極大地減小彩虹效應(yīng)。為了使得眼鏡片更輕薄，市面上大部分產(chǎn)品將紅綠色(RG)并入一層波導(dǎo)傳播。也有勇于探索的廠商使用一些新型光柵設(shè)計(jì)將RGB三色都并入一層波導(dǎo)，例如波導(dǎo)公司Dispelex，但目前全彩的demo只有30度左右FOV。總結(jié)一下，衍射這個(gè)物理過(guò)程本身對(duì)于角度和波長(zhǎng)的選擇性導(dǎo)致了色散問(wèn)題的存在，主要表現(xiàn)為FOV和動(dòng)眼框內(nèi)的顏色不均勻即“彩虹效應(yīng)”。光柵設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于所覆蓋顏色波段和入射角(即FOV)范圍很難兼顧，如何用一層光柵作用于RGB三色并且能實(shí)現(xiàn)最大的FOV是業(yè)內(nèi)面臨的挑戰(zhàn)。目前表面浮雕光柵(SRG)占市場(chǎng)上衍射光波導(dǎo)AR眼鏡產(chǎn)品的大多數(shù)，得益于傳統(tǒng)光通信行業(yè)中設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)積累。它的設(shè)計(jì)門(mén)檻比傳統(tǒng)光學(xué)要高一些，主要在于衍射光柵由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入微納米量級(jí)，需要用到物理光學(xué)的仿真工具，然后光進(jìn)入波導(dǎo)后的光線追蹤(ray tracing)部分又需要和傳統(tǒng)的幾何光學(xué)仿真工具結(jié)合起來(lái)。它的制造過(guò)程先是通過(guò)傳統(tǒng)半導(dǎo)體的微納米加工工藝(Micro/Nano-fabrication)，在硅基底上通過(guò)電子束曝光(Electron Beam Lithography)和離子刻蝕(Ion Beam Etching)制成光柵的壓印模具(Master Stamp)，這個(gè)模具可以通過(guò)納米壓印技術(shù)(Nanoimprint Lithography)壓印出成千上萬(wàn)個(gè)光柵。納米壓印需要先在玻璃基底(即波導(dǎo)片)上均勻涂上一層有機(jī)樹(shù)脂(resin)，然后拿壓印模具蓋下來(lái)，過(guò)程很像“權(quán)力游戲”里古時(shí)候寄信時(shí)用的封蠟戳，只不過(guò)這里我們需要用紫外線照射使resin固化，固化后再把“戳”提起來(lái)，波導(dǎo)上的衍射光柵就形成啦。這種resin一般是在可見(jiàn)光波段透明度很高的材料，而且也需要與波導(dǎo)玻璃類(lèi)似的高折射率指數(shù)(index)。表面浮雕光柵已經(jīng)被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等產(chǎn)品的問(wèn)世證明了加工技術(shù)的高量產(chǎn)性，只不過(guò)精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器都價(jià)格不菲，并且需要放置在專(zhuān)業(yè)的超凈間里，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)有條件建立該產(chǎn)線的廠商屈指可數(shù)。在做全息體光柵(VHG)波導(dǎo)方案的廠家比較少，包括十年前就為美國(guó)軍工做AR頭盔的Digilens，曾經(jīng)出過(guò)單色AR眼鏡的Sony，還有由于被蘋(píng)果收購(gòu)而變得很神秘的Akonia，還有一些專(zhuān)攻體光柵設(shè)計(jì)和制造的廠家。他們所用的材料一般都是自家的配方，基本是感光樹(shù)脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或者兩者混合。制作過(guò)程也是先將一層有機(jī)薄膜涂在玻璃基底上，然后通過(guò)兩個(gè)激光光束產(chǎn)生干涉條紋對(duì)薄膜進(jìn)行曝光，明暗干涉條紋會(huì)引起材料不同的曝光特性，導(dǎo)致薄膜內(nèi)出現(xiàn)了折射率差(Δn, index contrast)，即生成了衍射光柵必備的周期性。由于體光柵由于受到可利用材料的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的Δn有限，導(dǎo)致它目前在FOV、光效率、清晰度等方面都還未達(dá)到與表面浮雕光柵同等的水平。但是由于它在設(shè)計(jì)壁壘、工藝難度和制造成本上都有一定優(yōu)勢(shì)，業(yè)內(nèi)對(duì)這個(gè)方向的探索從未停歇。原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：詳解AR光學(xué)核心技術(shù)——衍射光波導(dǎo)
