增強現實(AR)技術作為下一代顯示技術，近年來發展迅速、備受關注。近眼顯示系統是增強現實設備的重要組成部分，它可以將虛擬的圖像信息疊加到外部的真實環境中，使觀察者既能沉浸在現實世界中又能接受到AR設備提供的信息，在導航、教育、娛樂、軍事和生物醫學等領域有著廣泛應用。
現有的近眼顯示系統包括自由曲面棱鏡系統、投影光學系統、視網膜掃描系統、反射光學系統、混合折反射系統和光波導等。在這些方法中，光波導因其輕便緊湊、類似眼鏡的形狀具有可佩戴性和便攜性，被認為是最有前景的首選設計方法。
一、分類
一般來說，波導顯示系統由微顯示器模塊、準直模塊和波導光學模塊組成，在波導內集成了一個輸入耦合器和一個輸出耦合器。根據耦合器工作原理的不同，波導技術可分為幾何波導和衍射波導。
幾何光波導即所謂的陣列光波導，通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和眼瞳的擴展。以色列公司Lumus利用反射鏡作為入耦合器，部分反射鏡陣列作為出耦合器，反射鏡陣列采用多層反射膜涂層，需要進行精確粘接。
衍射光波導主要有利用光刻技術制造的表面浮雕光柵波導(Surface Relief Gratings)和基于全息干涉技術制造的體全息光柵波導(Volume Holographic Gratings)。
其工作原理是相似的，區別在于耦合端光柵是采用SRGs還是VHGs。其基本工作原理如圖（2）所示，微顯示器發出的光經投影光學系統準直后由入耦合端將光線耦合進入波導，在波導內全反射傳播到出耦合端，最后衍射進入人眼。
a）表面浮雕光柵波導采用亞波長光柵設計，結構為微納米量級，需要用到物理光學的仿真工具，同時又要結合幾何光學仿真工具進行光線追蹤。表面浮雕光柵的制備過程通常先是通過傳統半導體的微納米加工工藝，在材料基底上通過電子束曝光和離子刻蝕技術制成光柵的壓印模具，這個模具可以通過納米壓印技術壓印出成千上萬個光柵。 微軟的HoloLens及Magic Leap One均屬表面浮雕光柵波導。
b）體全息光柵光波導則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵，通過兩束激光對全息材料進行干涉曝光，對曝光時間和曝光量有嚴格要求。雖然名字里帶有全息二字，但其實全息波導并不會直接在用戶周圍產生全息影像，它指的是透鏡內部的光學元件本身就能產生納米級全息圖。Sony、BAE公司及蘋果收購的Akonia公司光波導均采用體全息光柵。
二、制約因素
對于光波導顯示技術，大視場、大出瞳以及良好的圖像均勻性是限制其發展的關鍵因素。視場決定了用戶觀察到的圖像視野范圍，大的出瞳可以在兩個維度方向上增大頭部的活動范圍。由于光在出耦合端反復衍射，部分光會衍射出波導，沿著出瞳方向光的能量逐漸降低，視野范圍內的圖像亮度變暗，對于大視場來說，邊緣視場因為能量過低甚至觀察不到圖像。
如何在既能擴大視場、擴大出瞳的前提下，又能保證高的圖像均勻性，一直是研究的熱點問題。
三、跟進辦法
擴大光波導視場角的一個重要方法是提高材料折射率，德國肖特公司最近開發了一款突破性的高折射率SCHOTT RealView光學圓晶，其玻璃折射率高達2.0，能將AR設備的FOV擴大兩倍并大幅提高成像質量，為AR應用創新帶來無限可能。肖特公司針對光波導AR眼鏡研發的玻璃晶圓，能夠讓原本局限在30多度的FOV擴大兩倍甚至更高。
對于實現大出瞳，可以在入耦合和出耦合端之間加入擴展光柵，對波導內的光進行重定向，使其沿著一個維度方向進行擴展，再通過出耦合端光柵，實現兩個維度方向上的光瞳擴展。圖（5）所示原理實現了水平和垂直方向的二維擴瞳。
在光波導技術中，幾何光波導是基于傳統光學的設計理念和制造工藝，其工藝非常繁冗，導致最終奪得良品率堪憂，市面上還沒有出現幾何光波導消費級別的AR眼鏡產品。
隨著微納加工技術及材料性能的提升，衍射光波導發展潛力巨大，微軟公司的HoloLens II能夠實現二維擴瞳，視場角高達52°。HoloLens II的出現證明了主流的表面浮雕光柵具備消費級別，并可實現量產性。
體全息光波導對材料及曝光條件要求嚴格，在制造全息波導前，需要經過精確的模擬計算，曝光過程中所使用的激光光強、帶寬、相干性，以及材料、曝光環境這些都要經過無數次光學實驗來獲得最優方案。對于衍射光波導來說，表面浮雕光柵光波導是目前AR眼鏡走向消費級視場最具競爭力的方案。
四、小結
最后，實現大視場、全彩色以及高成像均勻性是限制衍射波導發展的關鍵因素，也是各大公司在極力解決的問題，對于利用光波導技術做出一款理想的AR眼鏡，實際上依舊是任重道遠，還需要進一步的科研攻關。
來源：耐德佳AR
