Development of optical waveguide elements in augmented reality near-eye displays

增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展 Development of optical waveguide elements in augmented reality near-eye displays 1 first-author 姜玉婷（1997-），女，吉林松原人，硕士研究生，2019年于长沙理工大学获得学士学位，主要从事微纳制造、微纳光学、AR眼镜方面的研究。E-mail： jiangyt@hnu.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444465&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444472&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444468&type= 22.01330566 32.00399017 姜玉婷（1997-），女，吉林松原人，硕士研究生，2019年于长沙理工大学获得学士学位，主要从事微纳制造、微纳光学、AR眼镜方面的研究。E-mail： jiangyt@hnu.edu.cn jiangyt@hnu.edu.cn 1 1 3 corresp E-mail： huyq@hnu.edu.cn E-mail： huyq@hnu.edu.cn 胡跃强（1992-），男，安徽合肥人，博士，助理教授，硕士生导师，2013年于西南交通大学获得学士学位，2018年于清华大学获得博士学位，主要从事微纳加工、微纳光学和表界面力学等方面的研究。E-mail： huyq@hnu.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444474&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444483&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444480&type= 22.01330566 32.00411987 胡跃强（1992-），男，安徽合肥人，博士，助理教授，硕士生导师，2013年于西南交通大学获得学士学位，2018年于清华大学获得博士学位，主要从事微纳加工、微纳光学和表界面力学等方面的研究。E-mail： huyq@hnu.edu.cn huyq@hnu.edu.cn 2 1 corresp songqiangshanghai@foxmail.com songqiangshanghai@foxmail.com songqiangshanghai@foxmail.com 1 3 段辉高（1982-），男，湖南衡阳人，博士，教授，博士生导师，2004年、2010年于兰州大学分别获得学士、博士学位，主要从事极小尺寸、极高精度的微纳制造及相关应用的研究。E-mail： duanhg@hnu.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444487&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444493&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444490&type= 22.01330566 32.00384521 段辉高（1982-），男，湖南衡阳人，博士，教授，博士生导师，2004年、2010年于兰州大学分别获得学士、博士学位，主要从事极小尺寸、极高精度的微纳制造及相关应用的研究。E-mail： duanhg@hnu.edu.cn duanhg@hnu.edu.cn 湖南大学 机械与运载工程学院国家高效磨削中心，湖南 长沙 410082 湖南大学 机械与运载工程学院国家高效磨削中心，湖南 长沙 410082 National Research Center for High-Efficiency Grinding， College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China National Research Center for High-Efficiency Grinding， College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China 深圳珑璟光电技术有限公司，广东 深圳 518100 深圳珑璟光电技术有限公司，广东 深圳 518100 Shenzhen Lochn Optics Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518100， China Shenzhen Lochn Optics Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518100， China 湖南大学 深圳研究院 珑璟光电微纳光学先进制造实验室，广东 深圳 518100 湖南大学 深圳研究院 珑璟光电微纳光学先进制造实验室，广东 深圳 518100 Advanced Manufacturing Laboratory of Micro-nano Optical Devices， Shenzhen Research Institute， Hunan University， Shenzhen 518100， China Advanced Manufacturing Laboratory of Micro-nano Optical Devices， Shenzhen Research Institute， Hunan University， Shenzhen 518100， China 增强现实技术是一种将虚拟环境信息叠加在真实世界中并加以有效利用的一种新型显示技术，在教育、医疗、旅游、汽车、建筑等领域有广阔的应用前景。增强现实近眼显示设备是增强现实技术的重要组成部分，而光波导是实现增强现实近眼显示设备高性能与微型化等特性的核心光学元件。光波导主要分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导原理简单，其制备技术较为完善并且可以实现量产，但视场角与出瞳范围较小、制备工艺复杂；衍射光波导则具有极高的设计自由度及优良的性能，但成像时存在的彩虹效应与色散等问题仍待解决。本文综述了不同类型光波导的设计和制备技术，分析了几何光波导和衍射光波导在原理、结构参数、性能评价和制备流程等方面的表现，最后总结了目前增强现实近眼显示技术所面临的挑战，并对未来的发展前景进行展望。 Augmented reality （AR） technology is a new type of display technology that superimposes information from a virtual environment onto the real world and makes effective use of it. It has broad application prospects in education， medical care， tourism， automobiles， construction， and other fields. AR near-eye display devices are a major part of AR technology， and optical waveguides are the core optical elements used to realize high performance and miniaturization of AR near-eye displays. Optical waveguides are primarily divided into geometrical and diffractive optical waveguides. The principle behind geometrical optical waveguides is simple. Its preparation technology is relatively complete and can be mass produced. However， the field of view and exit pupil range are small， the preparation process is complicated， and the diffractive optical waveguides rely on an extremely high degree of design freedom to obtain excellent performance. In addition， the problems of rainbow effect and dispersion in imaging must be solved. This study mainly focuses on the design and manufacturing technology of different types of optical waveguides. It also analyzes the advantages and disadvantages of geometrical and diffractive optical waveguides in terms of principles， structural parameters， performance evaluation， and preparation process. Finally， the study summarizes the challenges faced by current AR near-eye display technology and looks forward to future developmental prospects. 增强现实 几何光波导 衍射光波导 制备技术 微纳加工 纳米压印 augmented reality geometrical optical waveguide diffractive optical waveguide fabrication technology micro-machining nanoimprint 1 引　言 1 近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的虚拟现实（Virtual Reality，VR）与增强现实（Augmented Reality，AR）等人机交互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不同，VR近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互；而AR近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强现实的目的 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ ，因此AR相对于VR具有更强的交互能力，在教育 ［ 4 4 - 6 6 4-6 ］ 、医疗 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ 与军事 ［ 9 9 - 10 10 9-10 ］ 等方面均表现出更具潜力的发展趋势。 目前，大多近眼显示（Near-Eye Display，NED）设备仅仅局限于视觉这一感官上，即将光束引导进观察者的眼中，从而完成虚拟与现实图像的叠加。早期的近眼显示设备以头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）为主，首个HMD设备于1968年由Sutherland教授发明 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ 。根据获得现实图像方法的不同，HMD可分为视频透射式 ［ 13 13 - 14 14 13-14 ］ 和光学透射式。视频透射式HMD方案中，通过摄像机摄取现实图像并与虚拟图像整合叠加，通过显示器以视频的方式呈现在观察者眼前，该方案成本较低，但图像在传输过程中质量的降低与时间的延迟等问题较为严重，很难获得理想的成像效果。光学透射式HMD方案中，外部环境光不经处理直接进入人眼，只需将虚拟图像传输至人眼便可达到叠加虚拟图像与现实图像的目的，该方案相对于视频透射式HMD具有更强的真实性与交互性，因此以往的绝大多数AR近眼显示设备都采用光学透射式HMD。随着设备向着微型化的方向发展，在庞大的HMD设备无法满足用户需求的情况下，Google与微软等公司基于不同的光束传播原理，已经研发出以眼镜等形态为主的各类轻便式AR近眼显示设备。 图1 图1 （a）和1（b）所示是以传统光学元件为主的各类AR近眼显示设备的光学系统。 图1 图1 （a）所示为Google Glass ［ 15 15 - 17 17 15-17 ］ 初代设备中的光学系统，通过在人眼前设置一个半透半反棱镜，使投影仪发出的光束被半透半反棱镜反射进入人眼，外部环境光透过半透半反棱镜后直接进入人眼，从而达到增强现实的目的 ［ 15 15 ］ 。 图1 图1 （b）所示是基于离轴非球面反射镜方案的光学系统 ［ 18 18 ］ ，这种方案的原理与基于半透半反棱镜方案的原理类似，但非球面反射镜凭借更大的体积获得了更广的视场角，同时也带来了更严重的像差。此外，还有如 图1 图1 （c）所示的基于自由曲面光学元件方案的光学系统 ［ 19 19 - 24 24 19-24 ］ 。光束经过全反射面反射到自由曲面棱镜，在自由曲面棱镜处再次反射进人的眼睛，该方案中自由曲面棱镜不仅提供了更大的设计自由度，而且在一定程度上提高了图像质量，但它的加工较为困难。上述方案的结构与原理较为简单，但图像质量较差，并且体积较大，阻碍了AR近眼显示设备的微型化发展，因此为了在保证图像质量与大视场角的同时尽可能减小设备的体积，光波导成为提升AR近眼显示设备性能的研究核心。光波导的基本原理如 图1 图1 （d）所示，耦入区域的光学元件将微投影光机发出的光束耦入进波导片并以全反射的方式传播。常用的微投影光机包括发光二极管（Light Emitting Diode，LED）、有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）、硅上液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）和激光扫描显示器（Laser Scanning Display，LSD） ［ 25 25 ］ 。耦出区域的光学元件将波导片中传播的光束耦出到人眼，其中根据光束耦入耦出区域光学元件的不同，耦入区域可以是反射镜、棱镜、表面浮雕光栅和体全息光栅等，耦出区域可以是阵列半透射半反射镜、表面浮雕光栅和体全息光栅等，光波导的具体分类如 图1 图1 （e）所示。几何光波导方案中最常见的是阵列光波导 ［ 26 26 - 29 29 26-29 ］ ，微投影光机发出的光束首先被反射镜耦入波导，随后在耦出区域经过大量的半透半反镜后进入人眼，这种结构的视场角和成像均匀性优良，同时堆叠的镜片阵列可以实现出瞳扩展并且获得较大的动眼眶范围。衍射光波导方案中采用衍射光学元件传输光束，其中衍射光栅较为常见。根据光栅种类的不同，衍射光波导主要可分为表面浮雕光栅波导 ［ 30 30 - 31 31 30-31 ］ 与体全息光栅波导 ［ 9 9 - 10 10 9-10 ， 32 32 - 34 34 32-34 ］ 。表面浮雕光栅波导的技术较为成熟，市场中基于衍射光波导的AR近眼显示设备大多都采用了表面浮雕光栅波导，而体全息光栅波导受材料与工艺等因素的限制，在性能与大规模量产等方面仍与表面浮雕光栅波导有一定的差距。 本文对几何光波导与衍射光波导的设计原理和方法进行了阐述，并对目前AR近眼显示技术研究已取得的成果进行综述，随后对光波导制备方案中常用的加工工艺进行了总结，最后分析了AR近眼显示技术仍存在的问题，并对其发展与应用前景进行了展望。 2 几何光波导方案 1 几何光波导是基于传统几何光学的原理进行设计和制造的光波导方案，分为锯齿光波导和阵列光波导。因几何光学的原理简单，几何光波导的设计思路相对明确、制备技术较为成熟，同时结合扩瞳技术可以在保证图像质量同时获得较大的动眼眶范围。凭借着这些优点，几何光波导方案备受研究人员的青睐，成为目前AR近眼显示技术的主流方案之一。 2.1　锯齿光波导 2 在锯齿光波导方案中，光束首先以一定入射角度入射进波导片，其出瞳区域的结构为具有一定反射率的锯齿状反射面，用于将光束反射耦出到人眼。 图2 图2 （a）为Zhang等人设计的一种具有锯齿斜面结构的光学系统 ［ 35 35 ］ ，波导片内传输的光束通过锯齿结构反射进入人眼，外部环境光经过波导片直接进入人眼。 图2 图2 （b）为Xu等人设计的AR近眼显示设备中的光学系统 ［ 36 36 ］ ，该方案利用间断式的锯齿结构，完成虚拟图像与外部环境图像的合并。但是这种方案易受杂散光的影响，因为光束在锯齿结构上经过一次以上的反射就会成为杂散光，并且随着齿数增多，杂散光也会相应增多，杂散光的存在会影响对比度从而降低图像质量。为了解决这个问题，需要调整波导片的厚度。此外由于该方案中有一部分没有锯齿结构，所以不能传播全部能量，能量利用率较低，特别在视场角较大时能量损失尤为严重。 2.2　阵列光波导 2 图2 图2 （c）所示为阵列光波导方案的原理。这种方案与锯齿光波导方案相比，具有杂散光少、能量分布均匀、视场角大等明显优势。阵列光波导中反射光学元件布满整个波导片，耦入区域中反射镜将光束引导进波导片，耦出区域中阵列排布了一些具有角度选择性的半透半反薄膜面，每个薄膜面会将部分光束反射耦出波导片进入人眼，未耦出的光束透射过薄膜面继续在波导片中传输。这部分光束在传输到下一个薄膜面时，会重复上述的“反射-透射”过程，直到阵列里的最后一个薄膜面将剩余光束反射出波导片进入人眼。多次反射不仅能将出射光“调整”得比较均匀，而且能将波导片中的光束分批多次出射以实现扩瞳技术、增大动眼眶范围，进而扩大AR近眼显示设备的服务范围。 Lumus公司致力于阵列光波导元件的开发，经过数十年的迭代优化，已经研发出很多优秀的产品。Lumus公司最初推出的阵列光波导方案只实现了一维方向的扩瞳 ［ 37 37 ］ ，该方案的结构较为简单，为了提高视场角，需要对结构进行优化设计，即在设计反射阵列时需要考虑各个半透半反面透光的均匀性，因此设计难度大幅增加。通过合理优化反射阵列的结构参数可以改善亮暗条纹的不均匀性，在人眼能够分辨的颜色均匀性范围内实现较高质量的成像。此外Google和微软也设计出了类似的光波导结构，以满足用户的需求 ［ 38 38 - 39 39 38-39 ］ 。为了进一步提升AR近眼显示设备的性能，Lumus公司在一维扩瞳方案的基础上提出了二维扩瞳方案。他们在两个区域内分别设置一组反射阵列，第一区域实现一个方向的扩瞳，同时将光束引导至第二区域，第二区域实现另一个方向的扩瞳，并将光束耦出，最终获得了较为理想的动眼眶范围 ［ 40 40 ］ 。 图2 图2 （d）与 图2 图2 （e）所示分别为Lumus公司制造的型号为OE33的阵列光波导产品与珑璟光电设计的阵列光波导光路。 在设计阵列光波导时不仅要充分考虑杂散光与人眼兼容性等各项性能指标；而且为了有效扩大出瞳还要引入更多反射面，但是对所有反射面进行“半透半反”的镀膜工艺比较繁琐，因此阵列光波导的设计过程较为复杂。为了防止光束在镜面阵列中逐渐变弱而导致出光不均匀现象的发生，不同镜面的反射透射比也要不同，而不同的反射透射比则通过在镜面镀不同层数的膜来实现，之后不同的镜面需要用特殊的胶水进行粘合，并按照特定的角度切割成不同的形状。这个过程中，镀膜工艺的好坏、镜面与镜面之间的平行度以及最后切割的角度等因素都会影响最终设备的成像质量。因此，多个膜层的反射率和透射率控制、整机优化、镀膜，最终保证整个动眼框范围内的成像均匀性，实现成像质量的提高，是阵列光波导研究的重点。 3 衍射光波导方案 1 衍射光波导与几何光波导不同，它的设计不依赖于几何光学，而是利用光的衍射效应，主要采用光栅结构实现对光束的调制。虽然光栅结构的设计过程较为复杂，但提供了较大的设计自由度，通过计算优化光栅结构参数后的衍射光波导AR近眼显示设备可以获得优良的成像效果与较大的视场。随着微纳加工技术与大批量制造技术的蓬勃发展，衍射光波导也逐渐受到关注，其相关产品也逐步开始研发。 3.1　表面浮雕光栅波导 2 表面浮雕光栅波导方案中通过使用亚波长尺度的表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）代替传统的折反射元件（Refractive Optical Element，ROE）作为光波导中耦入、耦出和扩展区域的光学元件，从而实现对光束的调制。表面浮雕光栅指的是在表面产生的周期性变化结构，即在表面形成的各种具有周期性的凹槽。根据凹槽的轮廓、形状和倾角等结构参数的不同，常用的表面浮雕光栅可以分为一维光栅与二维光栅。一维光栅根据剖面形状划分为矩形光栅、梯形光栅、闪耀光栅和倾斜光栅等，二维光栅常用的结构有六边形分布的柱状光栅。 表面浮雕光栅对光束进行调制时，光束的传输严格遵循光的衍射方程，其衍射方向与入射光的波长和入射角、光栅周期以及介质的材料等参数有关。通常采用严格耦合波法设计表面浮雕光栅，通过设计优化光栅的结构参数可以在理论上获得极高的衍射效率，从而提高成像质量。 3 . 1 . 1　一维衍射光栅 3 一维衍射光栅指的是在单一方向具有周期性线性排布的光栅结构。 图3 图3 （a）所示为一维衍射光栅原理，根据衍射理论，当光束经过耦入区域时会被分束为多个不同角度的衍射级次，通过对光栅的周期、深度和占空比等参数进行调节，并结合严格耦合波法计算各个衍射级次的效率，进而使某个方向的衍射光束具有最高的衍射效率，一方面可以实现光束的定向传输，另一方面可以提高成像质量。 最常用的一维衍射光栅是矩形光栅和倾斜光栅。最早将矩形光栅用到近眼显示设备的是诺基亚 ［ 41 41 - 42 42 41-42 ］ 。当光束从耦入区域进入到波导片后，在耦入与耦出区域的光栅周期相同的情况下，出射光会从耦出区域以与入射光相同的方向进入到人眼。在设计彩色AR近眼显示设备时，不同波长的光束在波导片中传输时会存在光程差，这会导致严重的色差。为了解决这个问题，诺基亚设计了一种双层堆叠矩形光栅波导。其原理是根据不同的波长设计光栅的结构周期，综合考虑不同颜色之间的串扰程度以及加工难度后，他们在结构中设置双层波导片，其中一层为红光传输的波导片，另一层为蓝光和绿光传输的波导片。为了降低颜色之间的串扰，在耦入区域设置一个高通滤波器，在耦出区域设置一个低通滤波器，从而使不同波长的光选择性地通过耦合区域。双层波导片相比于单层波导片在视场角上有了很大的提升，获得了25°的视场角，但这种光栅的排布方法只能实现水平方向的扩瞳，实际的动眼眶范围并不够大，适用的人群范围较小。为了解决因光束在波导片传输过程中不断泄露而导致光栅衍射效率分布不均匀的问题，研究人员将不同位置的光栅设计成不同高度，以提升成像质量。虽然一维矩形光栅结构较为简单，但是其相关AR近眼显示设备存在着衍射效率不均匀和动眼眶范围较小等问题。闪耀光栅和倾斜光栅可以用来提升衍射光栅波导的性能，通过对比应用性能以及制备时对误差的敏感程度可知 ［ 43 43 - 45 45 43-45 ］ ，倾斜光栅的应用范围相对于闪耀光栅来说更加广泛。 倾斜光栅的设计及制备工艺相对于矩形光栅具有更高的难度，但是倾斜光栅的设计过程具有更大的自由度，通过设计倾斜角度可以实现入射光波长带宽与角度带宽的调制。 图3 图3 （b）所示为Levola等制备的倾斜光栅的SEM图 ［ 46 46 ］ ，为减弱不同颜色之间的串扰并且降低加工难度，可以将倾斜光栅设计成 图3 图3 （c）下方所示的结构 ［ 42 42 ， 46 46 - 47 47 46-47 ］ ，即将光栅分成左右两个部分，并在中间涂覆吸光材料。这种结构可以使不同波长的光束在各自的波导片中传播，但还是会有少量光束进入到其他波导片，为此可以将波导片设计成人字形，如 图3 图3 （d）所示，以解决成像质量不高的问题。 图3 图3 （e）所示为人字形波导片的实际产品示意图 ［ 48 48 ］ 。 动眼眶范围是衡量AR近眼显示设备性能的标准之一。 图3 图3 （f）所示为一维光栅扩展出瞳原理图 ［ 41 41 ］ ，该结构具有耦入、转折和耦出区域，耦入区域设计成矩形光栅，转折区域和耦出区域设计成倾斜光栅。入射光束通过耦入区域进入波导片，在转折区域实现光束的偏转并完成一个方向上的扩展，在耦出区域实现光束的耦出和另一个方向上的扩展，代表产品为Hololens。 在上文矩形光栅的介绍中，为保证出射光与入射光方向相同，耦入与耦出区域的光栅周期也应一致，转折区域的光栅周期 d 为： <math display="block" id="M1"><mi>d</mi><mo>=</mo><mroot><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow><mrow/></mroot><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444541&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444537&type= 21.16666603 4.06400013 ， 其中 <math id="M2"><mi>θ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444549&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=9444545&type= 1.77800000 2.79399991 为光束在入射方向相对于耦入光栅的偏转角。与矩形光栅类似，为了保证最终耦出时光束分布均匀，不同位置的光栅设计深度不同。 3 . 1 . 2　二维衍射光栅 3 为了在提升衍射效率的同时更好地扩大出瞳范围，二维光栅方案 ［ 49 49 ］ 被提出并且获得了很好的效果。基于表面浮雕光栅波导的方案原理图如 图3 图3 （g）所示，该结构中耦入区域为经典的一维光栅结构， 图3 图3 （h）所示为耦出区域二维光栅结构的SEM图。光束从耦入区域进入波导，并在波导片内以全反射方式传播到耦出区域，凭借这种结构可以同时实现光束的耦出和多个方向的扩展。二维光栅波导生产的代表公司为WaveOptics， 图3 图3 （i）为WaveOptics制造的型号为28° KATANA的衍射光波导产品。 图3 图3 （j）是二维光栅波导的 K 域图，内圈代表波导片中的全反射条件，外圈代表波导片材料可以达到的最大 K 值。耦入光栅将光束的 K 值平移到环形区域，使光束满足在波导片内全反射传播的条件；耦出光栅将部分光束的 K 值从环形区域平移到内圈区域，使光束耦出到人眼。 3 . 1 . 3　成像质量的提高 3 成像均匀性是成像质量的重要指标之一。Dispelix公司采用独特的结构，提高了视场角和动眼框范围内的成像均匀性，其产品名为DPX 30°，示意图如 图3 图3 （k）所示。此外，色差也是影响成像质量的关键因素之一。当前的消色差方案中大都设计多个波导片，分别传输不同波长范围的光束，从而获得消除色差的效果，如 图3 图3 （l）所示。例如微软公司提出将多个波导组件背对背折叠的方案，每个波导片分别传输一定波长范围内的RGB光束，从而在一定范围内降低色差的影响，并且在线偏振光入射的时候可以获得最高的衍射效率 ［ 50 50 ］ 。目前，大多光波导结构的角度选择性与波长选择性较小，同时类似于上述方案的结构存在一定的偏振选择性。如何减小体积，仅采用单层波导片既能解决多波长光束入射情况下的色差问题，又能获得较大的视场角以满足用户需求仍是当前急需突破的技术瓶颈。 3.2　体全息光栅波导 2 体全息光栅波导方案采用体全息光栅（Volume Holographic Grating，VHG）作为衍射光波导中的耦入耦出元件。通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而可以获得折射率周期性变化的光栅结构。当介质的厚度远大于光波长时这种结构称为体全息光栅，在不同的应用场合，体全息光栅可以分为单层、多层、振幅型、位相型以及透射式与反射式等。体全息光栅相对于表面浮雕光栅具有更高的衍射效率，但是它对入射光的波长与衍射角要求更高。它与表面浮雕光栅一样可以使用严格耦合波法计算不同结构的光栅对应的各级衍射效率，同时通过调节并优化光栅的周期等参数可以改变衍射效率，进而提高光学系统的成像质量。理论上在满足布拉格条件的情况下，体全息光栅的衍射效率可以达到100%，因此体全息光栅在理论上具有更好的成像效果。 美能达在2000年首次提出将全息光学元件用于衍射光波导中的方案 ［ 51 51 - 52 52 51-52 ］ 。 图4 图4 （a）所示为其产品的光学系统，光束以一定的角度进入波导片中并以全反射的方式传输，最后通过全息光学元件将光束耦出到人眼。这种最简单的结构为之后的设计提供了具体的思路，但是该方案动眼眶范围较小，多波长光束入射情况下的色差问题也未解决，因此无法应用于实际中。之后Sony提出了衍射元件色差的解决方案，其光学系统如 图4 图4 （b）所示 ［ 32 32 ］ 。耦入与耦出结构为对称体全息光栅，通过将波导结构分为两层，不同波长的光束斜入射后进入不同波导片并实现分离传输，这种方法明显地改善了色差对成像质量的影响。Yeom等人也提出了一种可以用于校正像差的体全息光栅，并获得了如 图4 图4 （c）所示的较为清晰的图像 ［ 34 34 ］ 。此外，DigiLens公司提出并优化了一种以可切换布拉格光栅（Switchable Bragg Grating，SBG）为主的衍射光波导方案。可切换布拉格光栅是一种可以改变折射率的光栅，区别于普通体全息光栅，它是由平行玻璃板作为电极，中间夹有光聚合物和液晶材料的结构。在将光栅记录进光学系统时中间部分会被液晶微滴填充，同时通过在极板间施加电压可以改变液晶微滴的方向，从而实现衍射效率与折射率的调制，因此在保证衍射效率的同时为设计加工提供了更大的自由度。为了使可切换布拉格光栅波导在实际应用中得到推广， 图4 图4 （d）展示了DigiLens公司研制出的可切换布拉格光栅波导方案中液晶的局部排列 ［ 53 53 ］ 。该结构同时采用3个波导片传输不同波长的光束并在布拉格条件下以确定的角度传输光束，最终实现了彩色成像，这项技术在驾驶过程中可以帮助驾驶员获得更多的路况信息。DigiLens采用可切换布拉格光栅阵列结构 ［ 54 54 ］ ，设计优化每个可切换布拉格光栅的参数，使光栅在特定范围内调整光束，同时结合激光器的优点后可以获得较高的分辨率，通过优化使得激光的扫描周期与每个光栅衍射状态的持续时间一致，最终实现大视场条件下的高分辨率成像。这种结构质量轻且分辨率高，可以实现从紫外波段到红外波段的光谱成像，应用于激光雷达装置中可以对3D地图进行重建。Facebook同样采用可切换布拉格光栅选择性地从波导片中耦出光束，同时波导片中红外光源发出的光线被人眼反射回波导片后可以借此确定眼睛的位置和方向，这为AR近眼显示设备提供了更高的灵活性 ［ 55 55 ］ 。 衍射光波导的设计与制造过程都比几何光波导困难，但是体积小、灵活度高是它具有较大发展潜力的重要因素。它的设计依赖于较复杂的严格耦合波理论，制造依赖于当前仍在发展的微纳制造工艺，由于其结构尺度属于微纳范畴，所以设计与制造时的微小偏差都会导致成像质量的下降，此外当前已经被设计并制造出的产品均不能兼具大视场角与高图像质量，衍射光波导技术还需获得进一步的突破。 虽然表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导的设计原理类似，但是体全息光栅波导的量产与视场角等问题严重限制了它的应用范围，因此当前表面浮雕光栅波导更具优势。此外，几何光波导和衍射光波导虽然在原理上大相径庭，但是在扩展出瞳、增大动眼眶范围的设计思路上如出一辙，将两者的优势相结合可以得到较为可观的效果。Lumus将几何光波导与衍射光波导相结合，在结构中设置了2个衍射光波导与1个几何光波导 ［ 56 56 ］ ，每个光波导单独实现一个方向的扩展，同时衍射光波导起到了减弱色散影响的作用，最终提高了成像质量。微软提出了双面衍射光栅的方案 ［ 57 57 ］ ，并证明双面衍射光栅相对于单面衍射光栅具有更高的衍射效率，进而将表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导相结合形成混合SRG-VBG光栅，使用体全息布拉格光栅（Volume Bragg Gratings，VBG）可以有效调整衍射角度带宽，相对于仅采用表面浮雕光栅波导方案，VBG提高了视场极端处的衍射效率，从而增强了成像均匀性。此外，基于共振波导光栅耦合器、超表面光栅耦合器等光学元件的光波导方案在技术和加工方面仍有一定困难，还有很大的发展空间，因此本文并未进行详细介绍。 4 光波导的制造 1 4.1　几何光波导的制造 2 几何光波导主要分为锯齿光波导和阵列光波导。锯齿光波导的制备材料有很多，例如N-BK7玻璃、N-F2玻璃、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等。Zhang等人基于金刚石车削技术，同时综合考虑折射率、成本以及耐用度等问题后，选择用Zeonex E48R环状聚合物作为波导片材料进行设计并加工了一种锯齿光波导，如 图5 图5 （a）所示 ［ 35 35 ］ 。 该锯齿光波导结构被分为上下两个部分，上面结构为补偿部分，下面结构为提取部分。其中 S 30 为反射面， S 60 为连接面， β 30 是反射面 S 30 与水平面之间的角度， β 60 是连接面 S 60 与水平面之间的角度。为了保证光束可以无偏差地通过提取部分，提取部分和补偿部分材料的折射率应该是相同的，并且用于将上下两面粘合的紫外光刻胶黏剂的折射率也应该与上下两部分的材料相匹配。 该方案中锯齿光波导的提取部分和补偿部分的加工流程基本一致，主要分为4步，分别是预切割、切割、镀膜和二次切割，其提取部分的加工流程如 图5 图5 （b）所示。首先要准备一个基底，然后利用金刚石车削出直槽刻面，使它具有足够的平滑度和较小的阴影区域。第二步是对反射表面 S 30 进行切割，并控制其倾斜角度为其设计角度，对连接表面 S 60 进行进一步的预切割处理，即在控制倾斜角度时使它偏离设计倾角-3°∼-2°。控制偏离角度是为了使连接表面 S 60 具有足够的孔径开口率，否则很可能在反射表面 S 30 上产生阴影，并在镀膜期间遮挡涂层材料。为了使光线可以从波导片内耦出，需要在 S 30 表面镀膜，因此第三步是对整个表面镀膜。为了保证反射表面 S 30 上薄膜的均匀性，在利用电子束沉积或其他薄膜制备方式时，沉积方向应为 S 30 表面的法线方向。最后一步为对连接表面 S 60 进行二次切割，在去除光学涂料的同时，使它获得设计的倾斜角度和精加工表面。补偿部分的加工流程等同于上述提取部分的加工流程。 加工完提取部分和补偿部分后需要用紫外光固化胶将上下两部分粘合。为了获得较好的粘合效果，在设计和制备时上下两部分要很好地匹配，并且在粘合时可以使用光学测角仪来精确调控角度。 图5 图5 （c）所示为锯齿光波导的实物图，图中光波导的厚度为4.5 mm。 图2 图2 （d）所示为Lumus阵列光波导产品。如 图5 图5 （d）所示，阵列光波导的加工流程主要是研磨、抛光、镀膜和胶合。首先通过切割玻璃基材获得各种规格的波导小棱镜，然后对小棱镜进行粗磨、精磨与抛光，之后在小棱镜上分别镀不同膜系的薄膜获得不同的反射/透射比，最后对小棱镜进行胶合将它固定为表面光滑的波导片，并通过测角仪、干涉仪等仪器对波导片进行检测。 4.2　表面浮雕光栅波导的制造 2 如前文所述，表面浮雕光栅可分为一维光栅和二维光栅，进一步可分为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅和梯形光栅等。由于AR光波导主要用于可见光波段，同时光波导结构的特征尺寸一般在数百纳米，甚至几十纳米，其成像质量对加工误差很敏感，所以对微纳加工技术提出了很大的挑战。MilIer等人首先尝试用聚焦离子束刻蚀（Focused Ion Beam Etching，FIBE）法加工倾斜光栅 ［ 58 58 - 59 59 58-59 ］ ，随后他们又尝试用离子束刻蚀（Ion Beam Etching，IBE）和反应离子束刻蚀（Reactive Ion Beam Etching，RIBE）的方法加工倾斜光栅 ［ 60 60 ］ 。目前，衍射光波导的制备基本都是采用半导体制备工艺（如光刻、刻蚀工艺）完成的，但是这些工艺方法流程复杂、生产成本高，不适合用于大批量生产。 4 . 2 . 1　小批量表面浮雕光栅波导的制造 3 图6 图6 （a）所示为表面浮雕光栅模板的制备和小批量制备工艺流程图与扫描电镜图 ［ 61 61 - 62 62 61-62 ］ 。矩形光栅的制备工艺较为成熟，如 图6 图6 （a）所示，首先在基底上旋涂抗蚀剂层，通过干涉曝光或电子束曝光等方法实现光栅的图案化，之后利用反应离子刻蚀（Reaction Ion Etching，RIE）或电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀将图案转移到基底，并将抗蚀剂层去除，完成矩形光栅的制备。但是，斜光栅光波导在进行刻蚀时需要将样品倾斜，倾斜后样品不同位置与源的距离不同，反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀的化学刻蚀尺寸均匀性得不到保证 ［ 63 63 ］ ，需要采用准直性和均匀性更好的离子束进行刻蚀。因此，制备流程变得更为复杂，需要采用聚焦离子束刻蚀（Focused Ion Beam Etching，FIBE）、离子束刻蚀（Ion Beam Etching，IBE）、反应离子束刻蚀（Reactive Ion Beam Etching，RIBE）等技术进行制备。综合考虑制备效率和均匀性等因素，反应离子束刻蚀是其中较合适的方案，其制备流程如 图6 图6 所示。首先在基底上通过物理或化学方法镀一层硬掩模（如Cr层），镀膜的方式可以选择磁控溅射，电子束蒸发或热蒸发等工艺方法。第二步在硬掩模上旋涂一层抗蚀剂层。随后同样利用干涉曝光或电子束曝光技术对图案进行曝光，之后采用干法刻蚀工艺将抗蚀剂图案转移到Cr层。但在刻蚀工艺后会有剩余的抗蚀剂留在结构表面，因此需要用氧等离子体法剥离剩余的抗蚀剂。接下来利用已加工好的带有硬质掩模的结构，使用基于氟基的反应离子束刻蚀工艺，用电离的氩离子束以倾斜的角度入射基底进行斜光栅的制备。在反应离子束刻蚀之后通过标准的湿法刻蚀工艺去除Cr掩模，最终获得出色均匀性优良的倾斜光栅。 4 . 2 . 2　大批量表面浮雕光栅波导的制造 3 上述基于半导体工艺的制备方法成本较高，不适合光栅波导的量产，因此开发出衍射光波导的复制工艺以实现大批量生产。而这种大规模的制造工艺依赖于高折射率的光学树脂，目前Magic Leap和WaveOptics已经进行相关工艺的验证。复制工艺包括热压法、紫外线纳米压印光刻法和微接触压印法（亦称为软光刻）。其中，紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产的常用方法。 具体工艺流程如 图6 图6 （b）所示，该工艺可分为两个阶段，即纳米压印工作模具制备阶段和批量生产阶段。首先，通过上述模板制备工艺将图案加工到硅晶圆上，为了降低成本以及保证硅晶圆上模板的使用寿命，这里选择将硅晶圆上的结构转印到聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）基底上，作为后续压印的母模板。第一步在硅晶片上旋涂转印胶，随后利用机械力将制备好的硅晶圆模板压印到转印胶上，并利用紫外线对压印的结构进行曝光以固定压印胶，从而实现批量生产的第一步，即母模板的制备 ［ 64 64 ］ 。下一步将结构转移到相应的玻璃基底上，首先在基底上旋涂一层光刻胶，然后重复上述母模板的制备方法，将结构转印到树脂上，从而得到最终的结构。在批量生产过程中，使用多图案的模具来生产表面浮雕光栅波导，然后使用功能性涂层覆盖波导，并用激光切割技术进行分离，最后将不同结构的波导堆叠完成光学模组的制备。 由于纳米压印技术最终获得的图案分辨率只与模板的分辨率有关，因此避免了光刻过程中曝光波长、物镜数值孔径、光刻胶的光反射与散射以及显影剂等的影响，在理论上可以突破光学光刻的最短曝光波长的物理极限。另一方面，由于其特殊的压印过程，纳米压印不需要其他光刻技术所需的昂贵的光学系统和镜头，这就为大面积微纳图形结构的大批量制备提供了可能性。 4.3　体全息光栅波导的制造 2 体全息光栅波导的主要制备工艺是干涉曝光。通过使用激光激发的干涉图案附着在基底上的光敏折射材料，材料特性随着光强度分布的不同而变化，最后获得折射率周期性变化的结构。也可以利用飞秒激光脉冲对非光敏玻璃进行加工从而得到体全息光栅 ［ 65 65 ］ ，但这种方法并不常用。体全息光栅波导的制备材料主要有卤化银、重铬酸盐明胶、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料 ［ 66 66 ］ 。体全息图的记录过程大都相似，但是一般的曝光仅适用于小批量验证，而对于大批量生产则需要开发更经济的方案。以Sony和DigiLens为代表的公司开发了相关体全息光栅波导的加工工艺路线。 图7 图7 （a）为体全息光栅波导的结构图 ［ 67 67 ］ ，耦入和耦出区域的光学全息元件具有相同的周期结构。为了降低对准难度并且减弱颜色之间的串扰，将红光和蓝光传播的波导片设计成一层，将绿光传播的波导片设计成一层。 图7 图7 （b）展示了Sony公司制备的体全息光栅波导的卷对卷工艺 ［ 67 67 ］ 。首先，使用双束干涉曝光法在附着于卷胶上的光敏聚合物膜内形成体全息图案， 图7 图7 （c）所示为卷对卷的曝光流程示意图 ［ 67 67 ］ ；第二步，通过注射成型法形成高质量的环烯烃聚合物塑料波导。为了获得合格的图像，对波导的翘曲和厚度变化有严格的规定，对图形畸变最小时的光线进行追迹计算，得知波导的翘曲必须小于5 μm，并且有效区域的厚度变化应小于1 μm。之后进行全息光学元件的转移工艺，即将全息波导膜准确地与塑料波导对准粘贴；随后将塑料全息波导进行切割；最后在配色过程中，将红、蓝塑料波导片与绿色塑料波导片对准并用UV树脂封装固定。塑料基底在加工前后都应保持平坦，这是冲压和配色过程中面临的挑战。 图7 图7 （b）右侧的图片展示了带有绿色、红色、蓝色以及全色塑料体全息光栅波导的图片（彩图见期刊电子版）。 虽然卷对卷体全息光栅波导制备流程的生产成本已经大大降低，但为了进一步提高生产效率，DigiLens公司开发了一种新的体全息光栅波导印刷工艺。其工艺主要分成两个部分，分别是母模板的制作和波导的印刷。超高折射率全息光聚合物是这项工艺的一个核心，其主要成分为光聚合物和液晶 ［ 68 68 ］ 。通过设计不同的体全息光栅波导可以获得不同的模板，然后将图案进行印刷，从而得到不同结构的体全息光栅波导。这种印刷技术的最大优点在于灵活性高，可以实现类似于数字化的模板信息编辑，这种方法适合于制作接触式复印和大幅面的模板。为了将全息图记录到反应性单体液晶混合材料上，首先通过调整计算机生成的衍射元件来设计图案，然后在高光强区域引发光聚合，形成聚合链，单体会扩散到这些明亮的区域并与聚合物链相互连接。液晶通过与单体的混合而扩散到强度较低的区域，使液晶饱和并沉淀出尺寸随着扩散过程的进行而增长的液滴。最后，当各个部分转移到预定位置时，用均匀的激光照射聚合物分散的液晶，使其完全包围液晶微滴，最终形成固体全息层。这种工艺可以应用于具有高透明度和极低雾度的波导中，并根据所需的衍射效率和带宽进行组合设计，以实现相应光学功能的集成 ［ 69 69 ］ 。 5 总结和展望 1 近年来，伴随着AR技术浪潮，不少企业投身AR近眼显示设备的开发中，而光波导凭借优良的特性日趋成为AR近眼显示设备中调制光束的主流方式，本文简单地介绍了AR近眼显示设备的发展过程，并详细介绍了几何光波导、表面浮雕光栅波导与体全息光栅波导的基本原理、各自的特点和常用的制备工艺，并且展示了目前为止知名公司推出的各类AR近眼显示产品，体现出AR近眼显示技术不断进步的趋势。 每种光波导方案都有自己的优势和劣势，但是在耦入耦出时均存在很大的能量损失，如何完善并解决这个问题是提升AR近眼显示技术的关键。在对不同光波导产品公司的相关产品进行调研后，得到不同光波导方案之间的对比，如 表1 表1 所示。当前几何光波导应用范围较广，并且成效极佳，但是制造工艺复杂，很难满足理想条件，并且产出率相对较低；衍射光波导作为非传统光学元件，相对于几何光波导在设计和制备方面具有更高的自由度，但是存在视场角较低与色散等问题，同时设计过程较为困难，需要对结构进行不断优化才能获得更高的衍射效率和更好的成像质量。此外，由于衍射光栅的尺度在微米级和纳米级，材料选择与加工量产等因素决定了衍射光波导能否在日常生活和商业应用中普及，解决这些问题，并实现较大的突破仍是AR显示技术发展的主要目标。 代表公司 体积 视场角 动眼眶范围 制造难度 几何光波导 Lumus 较大 较小 较小 容易 一维表面浮雕光栅波导 Microsoft Nokia Magic Leap 较小 可实现大视场角 可实现二维扩展出瞳 中等 二维表面浮雕光栅波导 WaveOptics 较小 可实现大视场角 可实现二维扩展出瞳 中等 体全息光栅波导 Sony DigiLens 较小 可实现大视场角 动眼眶范围较大 中等 目前的AR近眼显示产品大多基于几何光波导技术，几何光波导的制备流程较为复杂，严格的镀膜工艺会影响其大规模量产。而随着纳米压印等微纳加工技术的不断进步，衍射光波导在未来会成为主流的光波导方案之一。 参考文献 AZUMA R T . 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