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增强现实技术中的光学显示方案原理及其工艺全解析
1、增强现实技术中的光学显示方案。
增强现实技术即AR技术是在展示真实场景的同时，通过图像、视频、3D模型等技术为用户提供虚拟信息，实现把周围的视觉环境与虚拟的图形信息融合，即把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间，呈现给用户一个感知效果更丰富的新环境。于是增强现实技术凭借其独特的可将投影的图像叠加到用户感知的真实环境的特点，使其在军事、工业设计与制造、医疗、娱乐及教育等领域得到了广泛的应用，影响甚至改变各行各业生产生活中的某些信息交互方式，有着巨大的潜在应用价值。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导（Lightguide）方案。
1.1棱镜方案
棱镜方案以GoogleGlass为例，如图1中所示，其光学显示系统主要由投影仪和棱镜组成。投影仪把图像投射出来，然后棱镜将图像直接反射到人眼视网膜中，与现实图像相叠加。由于系统处于人眼上方，需要将眼睛聚焦到右上方才能看到图像信息，而且这一套系统，存在一个视场角vs体积的天然矛盾。GoogleGlass系统视场角较小，仅有15度的视场角，但是光学镜片却有10mm的厚度，而且亮度也不足，图像存在较大的畸变，所以产品进入市场后不久便被公司撤回。
图1.GoogleGlass眼镜产品实物图。
1.2Birdbath方案[1]
Birdbath方案中的光学设计是把来自显示源的光线投射至45度角的分光镜上，分光镜具有反射和透射值（R/T），允许光线以R的百分比进行部分反射，而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象，以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线入射到合成器上。合成器一般为一个凹面镜，可以把光线重新导向眼睛。采用这种光学显示方案的AR头显装置主要有联想MirageAR头显与ODGR8和R9。其中ODG有50度的视场角，其厚度则超过20mm。
1.3自由曲面方案[1]
自由曲面方案中一般采用有一定反射/透射（R/T）值的自由曲面反射镜，自由曲面是一种有别于球面或者非球面的复杂非常规面形，即用来描述镜头表面面形的数学表达式相对比较复杂，往往不具有旋转对称性。显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器，并且反射回眼内。显示源的理想位置居中，并与镜面平行。从技术上讲，理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”，设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变，需要在软件/显示器端进行修正。由于自由曲面不仅能为光学系统的设计提供更多的自由度，使系统的光学性能指标得到显著提高，而且为系统设计带来更加灵活的结构形式，因此成为近年来光学设计领域的研究热点，其中最具代表性公司有日本爱普生公司以及美国梦境视觉公司的Meta系列。日本爱普生公司的AR眼镜虽然在色彩、饱和度和成像质量方面博彩，但是它仅有23度的视场角，而且有13mm的厚度。美国梦境视觉公司的Meta2系列AR眼镜虽然有90度的视场角，但是其厚度超过50mm，仅光机系统重量就约为克。
由上所述可知，棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案这三种方案中都存在一个不可规避的矛盾，即视场角越大，光学镜片就越厚，体积越大，也正是因为这一无可调和的矛盾限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用。
[1].参考文摘“深入光学设计Birdbath、曲面反射和波导，浅谈AR头显工作原理”，映维网。
1.4全息透镜方案
全息透镜方案的原理是将一个全息准直透镜（Hd）和一个简单的线性光栅（Hg）记录在同一个全息干板上，全息准直透镜将显示源射出的光束准直为平面波，并衍射进基底以进行全内反射传输，同时线光栅将光束衍射输出进入人眼。这种系统将全息光学元件作为耦合元件，结构紧凑的同时降低了对全息光学元件设计和加工的难度，同时降低了全息透镜的色散，而且具有大FOV和小体积的优势，因而迅速被人们所接受。但是受限于眼动范围比较小，而且由于全息透镜具有复杂的像差和严重的色散，因此用全息透镜成像效果并不理想。目前采用全息透镜方案的代表性厂家是North，如图5中所示即为North公司的基于全息透镜方案的AR眼镜产品实物图[2]以及其成像光路示意图。
[2].参考文摘“North推出新款AR智能眼镜NorthFocals与普通眼镜无异”，电科技。
1.5光波导方案
光波导方案在清晰度、可视角度、体积等方面均具优势，于是成为目前增强现实眼镜中主流的光学显示解决方案。基于波导技术的AR眼镜，一般由显示模组、波导和耦合器三部分组成。显示模组发出的光线被入耦合器件耦入光波导中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达出耦合器件时被耦合出光波导后进入人眼成像。由于用波导折叠了光路，一般系统体积相对较小。根据耦合器的原理，基于波导技术的AR眼镜，所使用的光波导技术总体上可分为几何波导方案（GeometricWaveguide）和衍射光波导方案（DiffractiveWaveguide）两种。
几何波导方案中以偏振阵列光波导方案为主流方案，是通过利用多个等间距平行放置且有一定分光比的半透半反膜层来实现图像的输出和出瞳扩展，从而具有较大的视场和眼动范围而且色彩均匀。衍射光波导方案主要有表面浮雕光栅波导方案（SurfaceReliefGrating）和体全息光栅波导方案（VolumetricHolographicGrating）。浮雕光栅波导方案是采用纳米压印光刻技术制造，全息体光栅波导则基于全息干涉技术制造。
2、偏振阵列波导
2.1偏振阵列波导原理
偏振阵列波导技术的波导镜片中通常采用有多个等间距平行放置且有一定分光比的半透半反膜层来实现图像的输出和出瞳扩展，该半透半反膜层具有角度选择性，且阵列排布。其工作原理[3]示意图如图6中所示，图像源发出的光线经过目镜系统准直后，由波导反射面耦合进入波导，各视场光线依据全反射定理在波导中传播，光线入射到半透半反面上时，一部分反射出波导，另一部分透射继续传播。由于波导可以具有多个半透半反面，每一个半透半反面形成一个出瞳，因此可以在基板厚度很薄的情况下，进行出瞳的扩展，实现大视场和大眼动范围显示。
[3].参考文摘“紧凑穿透式视频眼镜光学系统设计”，韩昕彦。
图6.阵列光波导工作原理示意图
典型的分光膜阵列波导厂家为以色列的鲁姆斯公司，其最先实现了分光膜阵列波导技术的商业化，如图7中所示。鲁姆斯公司早于年就提出利用多个相互平行且等间距放置的半透半反膜阵列来实现光束的一维扩展，增大光学系统的适眼范围。而且该光束扩展器可被安装在传输基片上的紧凑显示源来照明，因此可使光学系统非常紧凑，显示光源可采用单色光和多色光。他们在波导基片的主表面上涂敷角灵敏反射涂层，使即使有小于临界角的更小角度的光线也可耦入光波导中，实现了更大的视场。鲁姆斯公司还对分光膜阵列的表面膜层进行优化，采用角度选择性膜层优化系统像差，消除杂散光。但是为保证显示图像质量，每个膜层结构都需要镀25-30层薄膜，系统成本较高。
图7.鲁姆斯公司阵列波导产品实物图。
2.2谷东科技-基于阵列波导的AR光学模组系列
虽然阵列波导中存在不可避免的鬼像问题，而且对加工、镀膜等工艺要求较高，但是随着现阶段冷加工工艺的成熟，而且容易实现大规模量产，所以现阶段偏振阵列光波导技术依然是AR技术的主流方案。为此谷东科技自主研发设计基于偏振阵列波导技术的光学模组，并在多次不断尝试总结后，得到了具有划时代意义的成果。
(a)AR光学模组M。
M为Top-down结构，水平视场完全无遮挡，消除安全隐患，标配LCOS作为像源，分辨率可达到*，提供接近人眼极限分辨能力的光学解析力，画质清晰细腻，图像反差锐利，不会有颗粒感。基于晶体材料的各向异性特性实现了光学器件的复用，将原本在光波导内朝一个方向传播的光线折叠成7段，使投影光机单元体积缩小85%。该光学模组视场角可达43度；出瞳距离可达22mm；具有高对比度：1；而且光效高，入眼亮度高达nit，完全适用于户外环境下的安防、应急、电力、能源等行业。另外，该模组采用特殊选择的材料和工艺搭配，有效解决了同行产品固有的杂像、条纹感、鬼像、畸变、色散等疑难问题。同时，波导镜片自主设计，委外加工，工艺可控，透光率大于85%，镜片厚度为2毫米，并已量产，通过最优的材料选型、加工工艺，以及最优的全自动一体化膜系设计，可保证材料、加工的一致性，所以产品出品良率业内最高。该模组真正集合了光波导模组极薄、极轻、极高的色彩还原等所有优势，并将其性能发挥到极致。此外，谷东科技公司对产品的检测有着超严格的环境测试标准，面对极端高、低温环境，以及高湿度和持续盐雾侵袭，该光学模组都能可靠性稳定工作。
图8.谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组M。
(b)AR光学模组M
M为侧入式结构模组，更适用于眼镜形态。该模组采用高亮度、高对比度（00：1）、低功耗的0.23英寸OLED作为显示器，无屏幕感，产品寿命长。模组视场角为26度；出瞳距离为22mm；光学畸变。体积小巧、轻量化设计，模组净重12g左右。
图9.谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组M。
(c)AR光学模组ME
ME视场角为26度；出瞳距离为18mm。相较于M，具有更小的光机尺寸以及更轻的重量（约为9g），产品配戴体验感更佳。
图10.谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组ME。
3、衍射光波导
3.1衍射光波导原理
由于偏振阵列光波导技术中高精度的玻璃冷加工工艺、层叠斜面棱镜的精确贴合、层叠斜面棱镜表面极其复杂的膜系设计以及对几十层纳米级膜厚的精确控制，也使得偏振阵列光波导技术在设计与工艺方面皆遇到了较高的技术壁垒，于是人们将目光转向了衍射型光波导。衍射型光波导中的波导结构一般采用简单的矩形，而且衍射器件制成的耦合器一般可以直接加工或粘贴在波导表面，从而大大降低了制造的成本。
衍射光波导的工作原理示意图如图12中所示，它是通过衍射光栅来完成光的耦合，衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件，这个周期可以是材料表面浮雕出来的高峰低谷（图12.1），也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”（图12.2），但本质都是在材料中引起折射率的周期性变化，改变光的传输方向。这个周期一般是微纳米级别的，与可见光波长一个量级，才能对光线进行有效调制。当携带有微显示器图像的光线经中继光学系统准直后，具有不同角度信息的平行光经入射端衍射光栅衍射后耦入平板光波导，在满足全反射条件时，耦入光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出端衍射光栅区域，经过耦出端的衍射光栅衍射输出后进入人眼成像。
图12.1衍射光波导和表面浮雕光栅的原理示意图
图12.2衍射光波导和全息光栅的原理示意图
面浮雕光栅衍射波导最早是诺基亚的专利，后来也由诺基亚商业化。微软的HoloLens中使用的光波导就是采用了诺基亚的专利。虽然该产品中采用了倾斜亚波长表面浮雕光栅来作为光耦合器，相比于普通的浮雕光栅，其具有更高的角度选择性和衍射效率，而且由于其表面微结构的形貌可以控制，设计自由度较高，可有效提升显示器件的性能。但是由于其高精度加工设计的微结构形貌，需要使用复杂的光刻工艺，从而加大了制造成本。即使是在实现大规模量产的阶段采用UV压印的方式，生产成本依旧偏高。
3.2体全息光栅波导原理
面对表面浮雕型光栅制造工艺的瓶颈，于是衍射型光波导技术的目光更加倾向于对全息光栅型光波导技术的研究与开发。基于体全息光栅波导技术的近眼显示系统如图13中所示，主要由微显示器、准直系统、波导以及出、入耦合器组成，其中出、入耦合器由全息光栅构成。体全息光栅波导显示系统的工作原理为[4]：由微显示器产生的图像经过准直系统后变为平行光，平行光透过波导照射到入耦合端的全息光栅上，由于全息光栅的衍射效应使平行光传播方向改变，波导中的光线在满足全反射条件时，被限制在波导内沿波导方向向前无损传播。当平行光传播到出耦合端的全息光栅时，全反射条件被破坏，光线再次发生衍射变为平行光从波导中出射，进入人眼成像。当耦入的全息光栅与调制出射的全息光栅具有相同的周期结构，且镜像对称时，可有效消除色散。
[4].参考文摘“彩色波导显示研究”，王垒。
图13.体全息光栅波导显示系统结构示意图。
早期采用体全息光栅波导方案的代表性厂家为Sony和Digilens，随着该技术的日渐成熟，目前参与全息光栅衍射波导光学方案研究的公司数量也在不断增加，主要包括有英国的TruLife和WaveOptics，以及美国的Akonia等。Sony公司在年出了一款高亮度的单绿色体全息光栅波导[4]，如图14中所示，该结构采用双面体全息光栅作为入耦合端，达到了85%的透射率，显示亮度为cd/m2。但因体全息光栅的厚度较小，该系统效率较低，此外，仅能用于单色显示，现已停产。WaveOptics公司推出了基于双层波导结构的全彩体全息光栅波导[4]，如图15中所示，该结构通过利用两组波导实现彩色传输，一组波导用于传输红蓝光，一组波导用于传输单绿光，可有效减少系统颜色的串扰，但该系统的效率不高，且因其双层波导结构，系统制造难度更大。
图14.Sony公司双面体光栅结构全息波导。
图15.WaveOptics公司全彩色体全息光栅波导。
3.3体全息光栅的制备
全息光波导中的全息光栅的特性严重影响成像质量，而且全息光栅也是全息平板波导技术中扩大出瞳以及减小系统尺寸的关键元件。体全息光栅的制备正是利用了全息技术的特性，通过激光激发的两个有一定夹角的平面光波相互干涉，并将干涉图案曝光附着在基底上的光敏材料上形成干涉条纹来获得的。
全息技术是一种利用光学相干原理来记录和获取物光波的振幅和相位信息的方法。其利用干涉记录、衍射再现的原理，把具有振幅和相位信息的物光波与参光波相干涉产生的干涉条纹以强度分布的形式记录成全息图，从而把物光波的全部振幅和相位信息记录在感光材料上。全息是一种主动式相干成像技术，全息的记录光路（如图16(a)中所示）主要完成两个方面的功能，一是完成被测物体的相干照明，通过物体的透射或反射形成物光波；二是利用参考光波与物光波发生干涉，形成全息图。
设物光波和参考光波在全息记录平面的复振幅分布分别为和，则二者在全息记录平面上相干叠加后得到干涉光波的复振幅分布为：
(1)
而全息记录介质记录的只能是干涉光波对应的强度分布，即：
(2)
其中，即为全息图的强度分布，和分别为物光波和参考光波的共轭像。
全息再现的过程（如图16(b)中所示）是用参考光波照射全息图，并利用光学衍射过程来实现。再现后得到的衍射光波表示为：
其中，T0表示零级衍射光，对应于参考光波的透射光波；T+1表示+1级衍射光，携带了原始物光波的信息；T-1为-1级衍射光，携带了物光波的共轭信息。在光学全息中，+1级衍射光能够形成物体的虚像，可以用眼睛直接观察，而-1级衍射光能够形成物体的实像，可以利用屏幕接收。
图16.光学全息的记录与再现过程示意图。
理想全息光栅的衍射级次只有0级和±1级，全息光波导显示利用的是0级光在光波导内不断地全反射，而－1级光不断地从波导表面出射。光栅衍射的几何示意图，如图17中所示[5]。
图17.全息光栅衍射几何示意图。
对于特定波长，在平板波导中的折射率为，波导外围介质的折射率为。一束光线斜入射在波导表面，该光线在球坐标中的极角为，方位角为。入射光线的－1级衍射光线在球坐标中的极角为，方位角为。是全息光栅的光栅常数，光栅矢量的方向平行于X轴。在考虑－1级衍射时，光栅衍射方程可表示为：
(4)
(5)
其中，公式(4)是衍射光线和入射光线在X轴上投影分量关系式；公式(5)是衍射光线和入射光线在Y轴上投影分量关系式。由于衍射光线需要满足在波导中传播的全反射条件，衍射光线的极角需要满足以下条件：
由上述三式可以得出对于特定波长、波导介质以及光线入射角度，满足全反射条件的光栅周期应满足一定条件。
全息光栅按照其结构可以分为透射型和反射型全息光栅[6]，两者根本区别在于记录方式不同，即两束记录光的传播方向不同，从而造成记录材料内部干涉条纹面的不同取向。透射型全息光栅在记录时，物光和参考光是从记录介质的同侧进行入射，而反射型全息光栅在记录时，物光和参考光则是从记录介质的两侧相向入射。
全息光栅根据记录介质的厚度与干涉条纹间距的相对厚度关系又可以分为面全息光栅和体全息光栅。面全息光栅与体全息光栅的评判标准用Q值来表征，当Q≥10时为体全息光栅，反之为面全息光栅。
(7)
其中，代表记录介质的厚度，是入射光的波长，是记录材料的折射率，是全息光栅的周期。
体全息光栅的微结构在体光栅的内部，所以其衍射主要是材料的体效应。当入射光满足布拉格条件时，体全息光栅会有极高的衍射效率，而如果偏离了布拉格条件，衍射效率则会迅速下降，这个特性使体全息光栅具有明显的角度和波长选择性。当用做耦合器件时，体全息光栅可以把波导中，具有特定波长和角度的光从波导中耦合出来，却又不会遮挡外界真实场景的视野，因此是一种理想的耦合器件。
[5].参考文摘“头盔显示系统中全息波导技术研究”，程鑫。
[6].参考文摘“反射型体全息光栅的制备研究”，余琳琳。
3.4谷东科技-基于体全息光栅波导的AR光学模组H
H是基于体全息光栅波导技术设计的AR光学模组，视场角为30度，亮度大于nit。其波导传输装置中的耦入/耦出光栅为两个成镜像对称制作的彩色体全息光栅。该彩色体全息光栅为反射型体全息光栅，基于角度/波长复用技术制作而成。反射型体全息光栅具有更小的衍射带宽，可最大限度消除颜色串扰问题。在体全息光栅制造过程中，采用全息材料曝光方法将RGB三色合一到一片衍射波导上，利用相干记录，衍射复现的原理将图像传到人眼显示。搭建精密的光路结构，编写自动控制程序，严格控制感光材料曝光前后的收缩比，保证体全息光栅的衍射效率以及出射光亮度的均匀性。同时，该光学模组为单片集成式的彩色体全息光栅波导，可实现单片式波导全彩色传输，使波导镜片更轻薄，重量更轻，而且不会出现三片式或两片式波导传输需要后期校准问题，还可有效降低制造成本。该产品远比微软的三层、MagicLeap、Waveoptics、鲲游光电的两层衍射光波导光效更高，色散更少，佩戴体验感更好。图18是谷东科技研发的单层全彩色体全息光栅波导相应的显示效果。
图18.谷东科技研发的单层全彩色体全息光栅波导的显示效果。
4、结束语
光学穿透式头戴显示（AR眼镜）作为AR技术的主要硬件载体，近年来，受到了科学界和产业界的广泛
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