雷鋒網(wǎng)AI研習(xí)社按：光波導(dǎo)顯示技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性、最復(fù)雜的難題之一，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認(rèn)為是消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的必選光學(xué)方案，又因其價(jià)格高和技術(shù)門檻高讓人望而卻步。目前諸如微軟 HoloLens 和 Magic Leap One 等多家明星 AR 產(chǎn)品均采用光波導(dǎo)顯示技術(shù)。在本次公開課中，講者將深度解讀光波導(dǎo)的工作原理及不同光波導(dǎo)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，同時(shí)分享 Rokid R-Lab 團(tuán)隊(duì)在 AR 眼鏡領(lǐng)域的技術(shù)探索與應(yīng)用。

 回放地址：http://www.mooc.ai/open/course/675?=from%20leiphone0726

分享嘉賓：李琨，Rokid R-Lab 光學(xué)研究科學(xué)家，美國(guó)加州伯克利大學(xué)電子工程系博士，主要研究方向包括光學(xué)成像系統(tǒng)、光電子器件、半導(dǎo)體激光器和納米技術(shù)等。

 

分享主題：AR近眼顯示中的光波導(dǎo)

 

分享提綱：

• Rokid R-Lab介紹：打造先進(jìn)的AR解決方案

• 沉浸式的近眼顯示系統(tǒng)——光波導(dǎo)

• 幾何光波導(dǎo)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

• 衍射光波導(dǎo)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

• 各光學(xué)方案的發(fā)展現(xiàn)狀及可量產(chǎn)性綜合比較

 

雷鋒網(wǎng)AI研習(xí)社將其分享內(nèi)容整理如下：

大家晚上好，我是來(lái)自Rokid的Linda,很高興AI研習(xí)社今天給我這個(gè)機(jī)會(huì)，能夠和大家一起探討在AR眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)中最近比較熱的一個(gè)詞——光波導(dǎo)。簡(jiǎn)單介紹一下Rokid，是致力于AI人機(jī)交互的創(chuàng)業(yè)公司，代表產(chǎn)品有大家熟悉的智能語(yǔ)音產(chǎn)品若琪，以及AR眼鏡Rokid Glass 和 Rokid Vision。

 

今天要講到的光波導(dǎo)是衍射型的光波導(dǎo)，被用在Rokid Vision之中，如果大家有機(jī)會(huì)在展會(huì)上遇到，可以體驗(yàn)一下。

今天我們來(lái)講光波導(dǎo)，它是AR近眼顯示系統(tǒng)的一個(gè)核心器件，那么是什么組成了AR近眼顯示系統(tǒng)呢？因?yàn)锳R和VR是比較相近的，都是屬于近眼顯示系統(tǒng)如何在離眼睛很近的位置顯示圖像，通常情況下都是由一系列光學(xué)成像的棱鏡等一些器件將微型顯示屏上的像素投到很遠(yuǎn)的地方并形成一個(gè)虛擬的圖像，然后再投到人的眼睛里，人眼看上去就像是真實(shí)的物體一樣。與VR系統(tǒng)不同的是，AR顯示系統(tǒng)需要透視，在看到虛像的同時(shí)要看到外界真實(shí)的世界，就多了一個(gè)光學(xué)組合器，將虛像和外界的光和在一起之后投在眼睛里。目前市面上的AR眼鏡基本都是各種不同的微型顯示屏和不同形式的光學(xué)組合器。在光學(xué)組合器里，有帶optical power的和不帶optical power的，今天所說的光波導(dǎo)就不屬于成像系統(tǒng)的一部分，是獨(dú)立存在的，只負(fù)責(zé)把像傳遞到人們眼前，不對(duì)像做任何改變。

  

市面上主要的光學(xué)方案可以簡(jiǎn)單分一下類，基本上是各種微型顯示屏和各種光學(xué)組合器的這樣一個(gè)組合，如圖所示：

  

今天講的光波導(dǎo)是目前綜合看來(lái)AR眼鏡走上消費(fèi)市場(chǎng)最好的一個(gè)選擇，也是應(yīng)運(yùn)而生的一個(gè)光學(xué)元件，它的發(fā)明一開始不是為了AR眼鏡，但是后面卻歪打正著，特別適合AR眼鏡。

 

今天主要介紹一下光波導(dǎo)是怎樣一個(gè)工作原理，與其他的AR眼鏡光學(xué)方案相比有什么優(yōu)點(diǎn)和不足。光波導(dǎo)主要分為兩大類，分別是幾何光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)。

  

先來(lái)看一下光波導(dǎo)到底是什么，它其實(shí)不是一個(gè)新的概念，最早是說如何將光在一個(gè)介質(zhì)里面百分之百地保留住而沒有漏光，我們比較熟悉的光通信傳導(dǎo)的光纖、海底的光纜等都是用這個(gè)原理，傳輸?shù)慕橘|(zhì)要滿足兩個(gè)條件，第一個(gè)條件就是圖中的折射率n,n1要大于n2,第二個(gè)條件就是光進(jìn)入波導(dǎo)的時(shí)候入射角需要大于臨界角，臨界角就是通過n1和n2之間的關(guān)系計(jì)算出來(lái)的。如果滿足了這兩個(gè)條件，光在達(dá)到表面穿梭時(shí)都會(huì)將近百分百地反射回來(lái)。在AR眼鏡中的光波導(dǎo)基本上說的是玻璃的基底，為了達(dá)到更好的效果，一般都是用小于1毫米的基底。光波導(dǎo)其實(shí)就是一個(gè)玻璃基底，可以使一定條件打進(jìn)去的光產(chǎn)生全反射，就能實(shí)現(xiàn)我們想要的將光從光機(jī)搬運(yùn)到人眼睛前面的任務(wù)。

  

在光波導(dǎo)產(chǎn)生之后，到底為AR眼鏡、AR頭盔做出什么樣的貢獻(xiàn)？有什么好處？主要它是實(shí)現(xiàn)了把眼睛周圍很龐大的光機(jī)搬到旁邊去，比如在側(cè)面、額頭等，可以不擋住視線，通過光波導(dǎo)這樣一個(gè)傳輸?shù)拿浇椋侔压鈳У窖劬η懊鎭?lái)。另外一個(gè)比較大的優(yōu)點(diǎn)就是，可以增大動(dòng)眼眶（戴上眼鏡之后，眼睛在系統(tǒng)中心點(diǎn)周圍移動(dòng)多大的x和y的范圍仍然能夠清晰地看到圖像）的范圍。因?yàn)楣獠▽?dǎo)是動(dòng)用了擴(kuò)瞳技術(shù)，所以可以增大動(dòng)眼眶的范圍，在做產(chǎn)品時(shí)更加容易適應(yīng)所有的人群。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是更加有利于外觀的改善。第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是提供了“真”三維圖像的可能性。當(dāng)然也有一些不足，比如光學(xué)效率相對(duì)較低，幾何光波導(dǎo)來(lái)說制造工藝流程比較繁冗復(fù)雜，對(duì)于衍射波導(dǎo)來(lái)說會(huì)有一些色散導(dǎo)致的彩虹現(xiàn)象以及色彩不均勻，而且設(shè)計(jì)門檻要高一些。

  

下面我們來(lái)看一下光波導(dǎo)的分類，第一類就是幾何光波導(dǎo)，是純幾何光學(xué)的形式，光的入波導(dǎo)和出波導(dǎo)都是通過一些鏡面或者棱鏡實(shí)現(xiàn)的。第二類就是衍射光波導(dǎo)，衍射光波導(dǎo)又分為表面浮雕光柵和全息體光柵，表面浮雕光柵是通過在玻璃的表面刻設(shè)一些溝壑來(lái)形成不同的n的對(duì)比度，全息體光柵就是通過激光干涉條紋在物體內(nèi)部構(gòu)成的變化來(lái)形成折射差。

  

接下來(lái)看一下幾何光波導(dǎo)的工作原理以及一維擴(kuò)瞳的發(fā)明，幾何光波導(dǎo)是怎樣工作的呢？首先需要有一個(gè)光機(jī)，成像之后將像耦合到玻璃鏡片里面，只要反射的角度達(dá)到全反射的條件，就可以進(jìn)行全反射繼續(xù)往下走，會(huì)遇到一系列比較特殊的鏡面陣列，如下圖所示：

  

由于幾何光波導(dǎo)是通過一系列鏡面陣列，在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)達(dá)到了百分百匹配的前提下，其成像是無(wú)色散的。然后一維擴(kuò)瞳也解決了不同人群瞳距不同的問題，使得產(chǎn)品能夠更加走向消費(fèi)級(jí)。再一個(gè)光波導(dǎo)玻璃的厚度也是非常小的，非常輕薄，并且設(shè)計(jì)也不是很有挑戰(zhàn)。它的不足在于很多我們看到的真實(shí)產(chǎn)品中，總有一些比如說黑條紋、鬼影、雜光甚至看到一些畸變的現(xiàn)象，主要還是生產(chǎn)沒有做到設(shè)計(jì)想要的程度。目前市面上還沒有一個(gè)產(chǎn)品達(dá)到足夠的量來(lái)證明幾何光波導(dǎo)的量產(chǎn)性，所以在進(jìn)行方案選擇的時(shí)候這是幾何光波導(dǎo)最令人堪憂的地方。

  

下面來(lái)看一下衍射光波導(dǎo)，相比幾何光波導(dǎo)有什么優(yōu)缺點(diǎn)以及它自己的分類。來(lái)看一下衍射光波導(dǎo)的核心，就是一個(gè)衍射光柵，衍射光柵簡(jiǎn)單來(lái)說就是一個(gè)具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，周期可以表現(xiàn)為下圖中左邊那種形式， 可以是光波導(dǎo)表面做一層凹凸不平的溝壑，也可以是中間這種形式，光波導(dǎo)表面涂一層材料，用材料內(nèi)部化學(xué)物理性質(zhì)的變化來(lái)引起周期，周期主要是指折射率的周期。在表面浮雕光柵里體現(xiàn)為材料和空氣之間的周期性變化，在全息體光柵中Δn是由于自身材料受干涉條紋光照程度的不同引起的n的變化情況。最右這個(gè)圖上面是衍射光柵，下面是普通的分光棱鏡，分光棱鏡是通過折射來(lái)分光的，上面是通過衍射來(lái)分光的，不同之處在于除了把顏色分開之后衍射光柵還把光分成了不同的級(jí)，在每一個(gè)級(jí)里面還分了不同的顏色，所以可以看到多個(gè)彩虹，而分光棱鏡只看到了一束彩虹。后面可以看到由于分光的特征它有一些優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來(lái)了一些限制。

 

我們來(lái)看一下一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，就是幾何光波導(dǎo)一維擴(kuò)瞳這個(gè)功能完全用衍射光柵來(lái)代替，如下圖所示：

  

在一維光柵的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了一維光柵二維擴(kuò)瞳這個(gè)概念，如下圖。這種方案除了在左右眼睛橫向之間的距離增大以外，動(dòng)眼眶在縱向也增大了，這樣就可以適用于更多臉型的人群。

  

當(dāng)然也可以直接用二維光柵來(lái)進(jìn)行二維擴(kuò)瞳，如圖所示：

  

衍射光波導(dǎo)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳并且設(shè)計(jì)上有很大的自由度，沒有幾何光波導(dǎo)那么復(fù)雜的工藝。衍射光波導(dǎo)中一個(gè)比較大的缺點(diǎn)就是它的色散問題，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)眼眶內(nèi)顏色不均勻。針對(duì)這個(gè)問題，業(yè)內(nèi)主流的解決辦法就是用多層的光波導(dǎo)，但是也不能完全解決。另外一個(gè)問題就是彩虹效應(yīng)，這主要是由于衍射光柵對(duì)于不同的入射角度衍射效率不同。綜合這兩個(gè)，就是衍射光波導(dǎo)中的色散問題。

  

最后講一下衍射光柵分類，如圖所示：

  

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)。

 

它的制造過程先是通過傳統(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)模具可以通過納米壓印技術(shù)(Nanoimprint Lithography)壓印出成千上萬(wàn)個(gè)光柵。

 

表面浮雕光柵已經(jīng)被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等產(chǎn)品的問世證明了加工技術(shù)的高量產(chǎn)性，只不過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)出過單色AR眼鏡的Sony，還有由于被蘋果收購(gòu)而變得很神秘的Akonia，還有一些專攻體光柵設(shè)計(jì)和制造的廠家。

 

由于全息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。

 

最后我們來(lái)總結(jié)一下，光波導(dǎo)作為AR眼鏡中應(yīng)運(yùn)而生的一個(gè)光學(xué)組合器的選擇，本身不帶任何的optical power，由于它的輕薄能擴(kuò)瞳使得動(dòng)眼眶增大這些優(yōu)點(diǎn)，我們認(rèn)為它是目前AR眼鏡走向消費(fèi)市場(chǎng)的選擇。

但是由于光柵設(shè)計(jì)門檻高和“彩虹效應(yīng)”的存在，做出理想的AR眼鏡仍然任重道遠(yuǎn)，需要業(yè)內(nèi)各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力，Rokid AR團(tuán)隊(duì)也致力與大家一起探索AR眼鏡這一核心技術(shù)的突破與應(yīng)用，以期為用戶帶來(lái)真正輕薄便攜、體驗(yàn)優(yōu)秀的AR眼鏡。

  

今天的分享就到這里，謝謝大家。

 

以上就是本期嘉賓的全部分享內(nèi)容。更多公開課視頻請(qǐng)到雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng)) AI 研習(xí)社社區(qū)https://ai.yanxishe.com/觀看。關(guān)注微信公眾號(hào)：AI 研習(xí)社（okweiwu），可獲取最新公開課直播時(shí)間預(yù)告。

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。