衍射光波導是較為主流的AR眼鏡光學顯示方案，很多AR眼鏡采用的都是這種顯示方案，如：微軟的HoloLens 1和HoloLens 2、Magic Leap的Magic Leap 1和Magic Leap 2，以及OPPO最近上市的消費級AR眼鏡OPPO Air Glass。

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為什么各大AR硬件廠商如此青睞衍射光波導？衍射光波導究竟是什么？

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今天小編就帶大家了解一下什么是衍射光波導。

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為了理解的更加透徹，我們可以將衍射光波導拆解成衍射和光波導兩部分來看。

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通常情況下，我們都知道光有三種傳播方式：直線傳播、反射和折射。比如紅外線瞄準器、潛望鏡、筷子放入水中看上去像折斷一樣，就是基于這三種原理。而衍射，則是光的第四種傳播方式。

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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17世紀，意大利數(shù)學教授弗朗西斯科·格里馬第（Francesco Grimaldi）發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)造了“衍射“一詞，這個詞源于拉丁語詞匯diffringere，意為“成為碎片”，即波原來的傳播方向被“打碎”、彎散至不同的方向。

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實驗中，他讓一束光穿過兩個小孔后照在暗室的屏幕上，發(fā)現(xiàn)投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。所以，衍射就是指波在傳播過程中，遇到障礙物或縫隙時，傳播方向發(fā)生改變的物理現(xiàn)象。

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由于只有障礙物的尺寸或縫隙的寬度，跟波長相差不多或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。所以我們在日常生活中很難明顯見到光的衍射，但在一些特殊情況下，我們還是能夠看到。比如，北京上空曾出現(xiàn)的“七彩祥云”就是太陽光經(jīng)過云中的小水滴和小冰晶產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。

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衍射說完了，那什么是光波導呢？

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在我們的世界中，廣泛存在著光波、聲波、電磁波等各種波。

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波導是將這些波從一個地方傳到另一個地方的裝置，所以顧名思義，光波導就是引導光波在其中傳播的介質(zhì)裝置。

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了解完衍射和光波導，也就明白了什么是衍射光波導，簡單講就是基于光的衍射，引導光波傳播的介質(zhì)裝置。

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▲ 衍射光波導

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進一步解釋，衍射光波導就是利用光柵的衍射特性來設(shè)計“光路”，讓光在設(shè)計好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導入人眼。

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衍射光柵，這一具有周期性結(jié)構(gòu)的光學元件是衍射光波導最為核心的部分，所以根據(jù)光柵類型的不同，又可以將衍射光波導分為兩類：表面浮雕光柵波導和體全息光柵波導。

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表面浮雕光柵，是通過光刻與刻蝕等工藝在材料表面“雕刻“出高峰和低谷，以此實現(xiàn)能夠滿足所需光學性能的周期性結(jié)構(gòu)。

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▲ 表面浮雕光柵掃描電鏡照片

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表面浮雕光柵波導如果要將微投影系統(tǒng)（光機）發(fā)出的光導入人眼，必須經(jīng)過耦入和耦出的過程。即光機發(fā)出的光通過耦入光柵，進入平板波導，并在其中進行全反射傳播，最后再由耦出光柵將光傳遞到人眼。這里的耦入和耦出光柵，采用的就是表面浮雕光柵。

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由于納米級光柵的特征尺寸與光波長相當，這里已經(jīng)不能將光看成普通光線，而是要把光當做一種電磁波。光在入射到光柵后會發(fā)生多級次的衍射。

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假如光機發(fā)出的是單色光（比如綠光），綠光在入射到耦入光柵后，會被分成若干不同方向的光（衍射級次），其中某一個非0衍射級次（比如+1級）會滿足平板波導的全反射條件，從而進入到平板波導中進行全反射傳播，這個衍射級次就是衍射光波導的工作級次。通過精確控制周期、占空比、槽深、側(cè)壁傾角等光柵參數(shù)，可以使絕大部分光能都集中到衍射光波導的工作級次上，也就是絕大部分光能都被耦入到衍射光波導中，這就是衍射光波導的耦入過程。

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與耦入過程相對應(yīng)，當在衍射光波導中進行全反射傳播的光遇到耦出光柵時，也會產(chǎn)生若干衍射級次，其中某一個非0級次會沿特定方向離開衍射光波導，進而進入人眼，這就是衍射光波導的耦出過程。

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▲?衍射級次示意圖

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假如光機發(fā)出的是彩色光，那么除了上述過程以外，還會伴隨其他復雜情況。由于不同顏色的光的波長不同，其衍射效率也會有所不同。所以在傳播過程中，各色光的能量會有不同程度的損耗，進而產(chǎn)生色散。而通過優(yōu)化各項光柵參數(shù)，光柵能夠?qū)Σ煌ㄩL的光的能量進行精確控制，進而最大程度消除色散問題，最終讓我們看到顏色正常的畫面。

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針對復雜的光柵衍射問題，至格科技自主掌握針對不同類型光柵的全套計算軟件。軟件算法來源于清華大學光柵與測量實驗室20余年的技術(shù)積累，基于傅里葉模態(tài)法（FMM）能夠快速準確地計算光柵的衍射問題。

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而且同時擁有功能完備的光柵母版加工中心和完整的衍射光波導批量生產(chǎn)體系，實現(xiàn)了設(shè)計與制造的緊密配合。在做光柵設(shè)計的時候可以兼顧到母版加工和生產(chǎn)制造的工藝能力，遇到問題能夠及時調(diào)整優(yōu)化，產(chǎn)品迭代速度非?？?。

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文章開頭提到的備受各大AR硬件廠商青睞的衍射光波導，實際指的就是表面浮雕光柵波導。由于具有輕薄、視場角大、眼動范圍大、量產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，因此基于表面浮雕光柵的衍射光波導被普遍認為是AR行業(yè)主流顯示技術(shù)路線。

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目前至格科技已具備C端客戶的量產(chǎn)交付經(jīng)驗，可以為客戶提供從設(shè)計、制版到材料和工藝的一站式解決方案，以及快速、穩(wěn)定、可靠、低成本的衍射光波導量產(chǎn)交付方案。

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光在體全息光柵波導中的傳播過程與表面浮雕光柵波導基本相同。

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不同之處在于，體全息光柵不是通過“雕刻”，而是通過兩束相干光形成的明暗相間的干涉條紋來對基板上的光刻膠薄膜進行曝光，進而在分子層面形成具有折射率差的周期性空間分布。體全息光柵通常工作在布拉格衍射條件下。

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那么，什么是布拉格衍射條件呢？

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1912年，德國科學家勞厄發(fā)現(xiàn)X射線晶體衍射現(xiàn)象，開創(chuàng)了X射線衍射物理學的研究。同年，勞倫斯·布拉格在卡文迪什實驗室經(jīng)過反復研究，最終得出這是一種波的衍射效應(yīng)。

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1913年，勞倫斯·布拉格和亨利·布拉格共同提出了X射線衍射的布拉格形式（即布拉格衍射）。他們發(fā)現(xiàn)，當亞原子粒子波進入晶體時，如果粒子波的波長與晶體中原子的間距相近，粒子波就會被晶體中的原子以鏡面形式散射出去，并會按照布拉格定律進行相長干涉，形成集中的波峰（布拉格尖峰）。而布拉格條件就是產(chǎn)生相長干涉所需要滿足的條件。

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▲?布拉格衍射示意圖

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看到這里可能感覺有點難懂，我們可以近似理解成是經(jīng)過散射后，多個光波在同一路徑上的混合疊加。就像老式手電筒通過反光罩將光線匯聚到同一方向，匯聚的地方就會變得更亮。（這里只是為了便于理解，原理與布拉格衍射并不相同）

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圖源：網(wǎng)絡(luò)

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基于布拉格衍射原理，當光波滿足布拉格條件時，體全息光柵將會有極高的衍射效率。然而布拉格條件對于入射光的角度和波長有著非?？量痰囊?，一旦無法滿足，衍射效率就會迅速下降。這就導致體全息光柵波導很難實現(xiàn)較好的彩色均勻性，無法滿足市場需求。

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目前，體全息光柵波導在顯示效果、產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)配套等方面，與表面浮雕光柵波導存在明顯差距。

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AR衍射光波導就是利用光柵的衍射特性來設(shè)計“光路”，讓光在設(shè)計好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導入人眼。基于衍射光柵類型的不同，衍射光波導又可分為表面浮雕光柵波導和體全息光柵波導。

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表面浮雕光柵波導同時具有輕薄、視場角大、眼動范圍大、量產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，因此被普遍認為是AR行業(yè)主流顯示技術(shù)路線。體全息光柵波導雖然有著極高的衍射效率，但受限于布拉格衍射條件，很難解決彩色均勻性問題，并且技術(shù)方面仍處于起步階段，要想實現(xiàn)技術(shù)突破還有很長的路要走。

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隨著技術(shù)發(fā)展與工藝提升，基于表面浮雕光柵的AR衍射光波導已經(jīng)開始邁進消費級市場。相信未來，將會為更多AR硬件廠商帶來極致的AR顯示效果。

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：AR眼鏡主流光學顯示方案——衍射光波導