衍射光波导技术简介

衍射光波导

引言

想象一下，如果《头号玩家》中的虚拟现实（Virtual reality, VR）世界能够与我们的现实世界无缝融合，那将是怎样一番景象？这正是增强现实（Augmented reality, AR）技术所承诺的未来。在《头号玩家》中，人们通过VR头盔进入一个完全虚拟的游戏世界——“绿洲”，为我们展示了一个充满无限可能的未来。而AR技术则更进一步，它将虚拟元素融入我们的现实世界，让我们在保持对现实环境感知的同时，享受到数字信息带来的便利和乐趣。在现实生活中，AR技术正逐渐渗透到我们的日常生活中，从娱乐到教育，从工业到医疗，它正在改变我们的工作和互动方式。

技术简介

衍射光波导，作为一种微光学解决方案，其核心在于光栅的物理结构。它利用光的衍射和全内反射（Total Internal Reflection, TIR）条件将远场光线传输至近眼处，并投射到外部环境，实现图像与外部环境的自然融合。在光波导中，为了确保光线在到达人眼之前能在波导中完全反射，进入波导的光的入射角需要大于临界角。

图1  衍射光波导示意图

图片来源：Waveguide-based augmented reality displays: perspectives and challenges (10.1186/s43593-023-00057-z)

衍射光波导系统主要由三个部分组成：图像显示源、投影准直光学系统以及集成了入射光栅和出射光栅的平面波导元件。工作过程中，投影光学系统首先将光引擎发出的光准直成平行光，随后这些平行光在波导中传播，并通过入射光栅满足TIR条件。经过多次TIR迭代后，光线最终通过出射光栅从波导中衍射出来，进而进入人眼。

图2  衍射光波导系统

图片来源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

在平面衍射光学波导中，光栅扮演着至关重要的角色，其周期性结构是实现光在波导的耦入，转折，和耦出的关键。根据不同的周期性结构形式，平面衍射波导主要分为两种类型：表面浮雕光栅（Surface relief grating, SRG）和体积全息光栅（Volume holography grating, VHG）波导。接下来，我们将简单介绍这两种光栅波导的性能特点和制造工艺。

1表面浮雕光波导

在平面衍射波导技术中，一维衍射光栅是关键元件，它在特定方向上具有周期性结构，允许调制光在波导中沿不同阶次传播。光栅的衍射效率可通过严格耦合波分析（Rigorous coupled wave analysis, RCWA）计算，并通过调整结构参数如槽深和倾斜角进行优化。矩形光栅常被用于衍射光波导的耦合器件，其中准直光束通过耦合光栅衍射，以全内反射在波导内传播，最终通过输出耦合光栅被双眼接收。倾斜的表面浮雕光栅通过打破对称性，在特定阶次上实现高衍射效率。

 

图3   矩形光栅与倾斜光栅示意图

图片来源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

在实际应用中，为了满足眼睛移动的需求，需要在输出耦合端进行出瞳扩展以扩大眼盒范围。这要求精确设计输出耦合衍射光栅元件，使得光线在TIR传播过程中沿一维方向扩展出瞳。

图4  衍射光栅扩瞳示意图

图片来源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

对于全彩显示，单层衍射波导在红绿蓝光线的全反射方面面临挑战，特别是红光的视场角（Field of view, FOV）受限。为扩展视场角，可以采用多层波导堆叠结构，每层波导具有不同的光栅周期以适应不同波长。

图5  多层衍射光波导示意图

图片来源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

SRG的制造通常涉及聚焦离子束（Focused ion beam, FIB）制造、反应离子刻蚀（Reaction ion etching, RIE）和电子束光刻（Electron beam lithography, EBL）等半导体加工技术。然而，这些方法成本高昂，且对设备和环境要求严格。纳米压印光刻（Nanoimprint lithography, NIL）技术，特别是结合柔性聚合物模板（Soft polymer stamp, IPS）工艺，为大量生产SRG光波导提供了更经济高效的解决方案。

图6  纳米压印及其模版制造流程示意图

图片来源：Nanoimprint lithography: methods and material requirements. (10.1002/adma.200600882)

尽管SRG技术具有显著优势，但在设计和工艺方面仍面临挑战。角度和波长选择性导致的色散问题可能引发彩虹效应，而高阶衍射光可能导致光泄漏。此外，倾斜光栅的角度和线宽深度比例需严格控制，以避免压印光栅坍塌。制造设备的昂贵成本和特殊环境要求也是限制SRG进一步应用的因素。

图7    VHG光波导（左）与SRG光波导（右）漏光对比          

图片来源：https://www.digilens.com/smartglasses/

2体全息光波导

VHG光波导是衍射光波导技术的另一种重要解决方案。VHG是一种基于干涉原理的三维周期性折射率结构，理论上在满足布拉格条件时，其衍射效率可接近100%，但随着偏离角度的增加，衍射效率会有所降低。

随着Kogelnik在1969年提出了耦合波理论来分析VHG的衍射特性，人们可以精确预测不同全息光栅参数下的光栅衍射效率。随后提出并设计了多款基于全息衍射元件的头戴式显示器（HMD）。当光线在玻璃基底内完全反射时，遇到全息表面会发生衍射，从而不再满足全反射条件并从玻璃板透射出去。此外，该技术还能调整入射瞳孔大小以实现光出射区域的连续性。

图8     基于棱镜耦合的VHG光波导      

在色彩显示方面，最早是由索尼在2008年通过多层全息层叠加技术开发了一种全色波导显示器。这种波导设计基于多层输入耦合和输出耦合的反射体全息光栅堆叠。然而，多层全息波导的叠加可能引发杂散光问题，因此索尼通过将显示器和准直器的光轴相对于耦合入的光波导倾斜10°，有效减少了视场两端之间的布拉格视差，并提高了色域。后来，研发人员进一步开发了一种与理想镜面条纹结构略有偏差的双面耦合全息光学元件（HOE），在不损失均匀性的情况下显著提高了亮度，并扩大了视场。

图9    双层全彩VHG光波导示意图   

在生产过程中，体全息光栅是通过激光照射感光材料形成的。体全息光波导的制造过程涉及冷加工技术、材料喷涂技术以及双光束干涉曝光等技术。水晶光电是一家领先的光学元件制造商，专注于光学镀膜、AR光学和半导体光学。其与DigiLens的合作为各种光学解决方案的质量制造打下了基础，这些解决方案可供AR开发人员制造低成本AR设备。水晶光电AR团队目前与美国Digilens深度合作，共同打造了全球首家实现批量化生产的全息光波导产线。
 

图10   水晶光电Gen3.1全彩VHG光波导  

图片来源：水晶光电

与SRG和几何光波导相比，VHG波导的研发成本更低，生产工序少、速度更快。VHG波导的生产主要受到全息材料的限制。目前主流的全息材料有光聚合材料或液晶材料，不同材料的性能也不同，这直接影响到涂层的均匀性、波导的视场角和其他光学性能。此外，体全息光波导在曝光和生产过程中的环境稳定性要求非常严格。湿度、温度和空气流动性都会影响曝光。针对体全息光波导的量产难点，水晶光电打通多个生产关键环节，完成全生产流程的闭环，打造了一条集制造、测试、封装为一体的体全息光波导产线。

XR研究所

XR光学技术研究所深耕AR/VR领域十余年，专注于XR核心光学显示模块相关技术、产品及工艺研发。聚焦波导技术的开发设计及仿真优化，微型光机模组设计及开发。产品类型包括单色，全彩等一系列体全息衍射波导，并实现产业化，以及基于不同显示芯片的一系列微型光机模组。