衍射光波導

引言

想象一下，如果《頭號玩家》中的虛擬現實（Virtual reality, VR）世界能夠與我們的現實世界無縫融合，那將是怎樣一番景象？這正是增強現實（Augmented reality, AR）技術所承諾的未來。在《頭號玩家》中，人們通過VR頭盔進入一個完全虛擬的游戲世界——“綠洲”，為我們展示了一個充滿無限可能的未來。而AR技術則更進一步，它將虛擬元素融入我們的現實世界，讓我們在保持對現實環境感知的同時，享受到數字信息帶來的便利和樂趣。在現實生活中，AR技術正逐漸滲透到我們的日常生活中，從娛樂到教育，從工業到醫療，它正在改變我們的工作和互動方式。

技術簡介

衍射光波導，作為一種微光學解決方案，其核心在于光柵的物理結構。它利用光的衍射和全內反射（Total Internal Reflection, TIR）條件將遠場光線傳輸至近眼處，并投射到外部環境，實現圖像與外部環境的自然融合。在光波導中，為了確保光線在到達人眼之前能在波導中完全反射，進入波導的光的入射角需要大于臨界角。

圖1 衍射光波導示意圖

圖片來源：Waveguide-based augmented reality displays: perspectives and challenges (10.1186/s43593-023-00057-z)

衍射光波導系統主要由三個部分組成：圖像顯示源、投影準直光學系統以及集成了入射光柵和出射光柵的平面波導元件。工作過程中，投影光學系統首先將光引擎發出的光準直成平行光，隨后這些平行光在波導中傳播，并通過入射光柵滿足TIR條件。經過多次TIR迭代后，光線最終通過出射光柵從波導中衍射出來，進而進入人眼。

圖2 衍射光波導系統

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

在平面衍射光學波導中，光柵扮演著至關重要的角色，其周期性結構是實現光在波導的耦入，轉折，和耦出的關鍵。根據不同的周期性結構形式，平面衍射波導主要分為兩種類型：表面浮雕光柵（Surface relief grating, SRG）和體積全息光柵（Volume holography grating, VHG）波導。接下來，我們將簡單介紹這兩種光柵波導的性能特點和制造工藝。

1表面浮雕光波導

在平面衍射波導技術中，一維衍射光柵是關鍵元件，它在特定方向上具有周期性結構，允許調制光在波導中沿不同階次傳播。光柵的衍射效率可通過嚴格耦合波分析（Rigorous coupled wave analysis, RCWA）計算，并通過調整結構參數如槽深和傾斜角進行優化。矩形光柵常被用于衍射光波導的耦合器件，其中準直光束通過耦合光柵衍射，以全內反射在波導內傳播，最終通過輸出耦合光柵被雙眼接收。傾斜的表面浮雕光柵通過打破對稱性，在特定階次上實現高衍射效率。

圖3 矩形光柵與傾斜光柵示意圖

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

在實際應用中，為了滿足眼睛移動的需求，需要在輸出耦合端進行出瞳擴展以擴大眼盒范圍。這要求精確設計輸出耦合衍射光柵元件，使得光線在TIR傳播過程中沿一維方向擴展出瞳。

圖4 衍射光柵擴瞳示意圖

圖片來源：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook (10.37188/lam.2021.024)

對于全彩顯示，單層衍射波導在紅綠藍光線的全反射方面面臨挑戰，特別是紅光的視場角（Field of view, FOV）受限。為擴展視場角，可以采用多層波導堆疊結構，每層波導具有不同的光柵周期以適應不同波長。

圖5 多層衍射光波導示意圖

圖片來源：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離子束（Focused ion beam, FIB）制造、反應離子刻蝕（Reaction ion etching, RIE）和電子束光刻（Electron beam lithography, EBL）等半導體加工技術。然而，這些方法成本高昂，且對設備和環境要求嚴格。納米壓印光刻（Nanoimprint lithography, NIL）技術，特別是結合柔性聚合物模板（Soft polymer stamp, IPS）工藝，為大量生產SRG光波導提供了更經濟高效的解決方案。

圖6 納米壓印及其模版制造流程示意圖

圖片來源：Nanoimprint lithography: methods and material requirements. (10.1002/adma.200600882)

盡管SRG技術具有顯著優勢，但在設計和工藝方面仍面臨挑戰。角度和波長選擇性導致的色散問題可能引發彩虹效應，而高階衍射光可能導致光泄漏。此外，傾斜光柵的角度和線寬深度比例需嚴格控制，以避免壓印光柵坍塌。制造設備的昂貴成本和特殊環境要求也是限制SRG進一步應用的因素。

圖7 VHG光波導（左）與SRG光波導（右）漏光對比

圖片來源：https://www.digilens.com/smartglasses/

2體全息光波導

VHG光波導是衍射光波導技術的另一種重要解決方案。VHG是一種基于干涉原理的三維周期性折射率結構，理論上在滿足布拉格條件時，其衍射效率可接近100%，但隨著偏離角度的增加，衍射效率會有所降低。

隨著Kogelnik在1969年提出了耦合波理論來分析VHG的衍射特性，人們可以精確預測不同全息光柵參數下的光柵衍射效率。隨后提出并設計了多款基于全息衍射元件的頭戴式顯示器（HMD）。當光線在玻璃基底內完全反射時，遇到全息表面會發生衍射，從而不再滿足全反射條件并從玻璃板透射出去。此外，該技術還能調整入射瞳孔大小以實現光出射區域的連續性。

圖8 基于棱鏡耦合的VHG光波導

在色彩顯示方面，最早是由索尼在2008年通過多層全息層疊加技術開發了一種全色波導顯示器。這種波導設計基于多層輸入耦合和輸出耦合的反射體全息光柵堆疊。然而，多層全息波導的疊加可能引發雜散光問題，因此索尼通過將顯示器和準直器的光軸相對于耦合入的光波導傾斜10°，有效減少了視場兩端之間的布拉格視差，并提高了色域。后來，研發人員進一步開發了一種與理想鏡面條紋結構略有偏差的雙面耦合全息光學元件（HOE），在不損失均勻性的情況下顯著提高了亮度，并擴大了視場。

圖9 雙層全彩VHG光波導示意圖

在生產過程中，體全息光柵是通過激光照射感光材料形成的。體全息光波導的制造過程涉及冷加工技術、材料噴涂技術以及雙光束干涉曝光等技術。水晶光電是一家領先的光學元件制造商，專注于光學鍍膜、AR光學和半導體光學。其與DigiLens的合作為各種光學解決方案的質量制造打下了基礎，這些解決方案可供AR開發人員制造低成本AR設備。水晶光電AR團隊目前與美國Digilens深度合作，共同打造了全球首家實現批量化生產的全息光波導產線。

圖10 水晶光電Gen3.1全彩VHG光波導

圖片來源：水晶光電

與SRG和幾何光波導相比，VHG波導的研發成本更低，生產工序少、速度更快。VHG波導的生產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，這直接影響到涂層的均勻性、波導的視場角和其他光學性能。此外，體全息光波導在曝光和生產過程中的環境穩定性要求非常嚴格。濕度、溫度和空氣流動性都會影響曝光。針對體全息光波導的量產難點，水晶光電打通多個生產關鍵環節，完成全生產流程的閉環，打造了一條集制造、測試、封裝為一體的體全息光波導產線。

XR研究所

XR光學技術研究所深耕AR/VR領域十余年，專注于XR核心光學顯示模塊相關技術、產品及工藝研發。聚焦波導技術的開發設計及仿真優化，微型光機模組設計及開發。產品類型包括單色，全彩等一系列體全息衍射波導，并實現產業化，以及基于不同顯示芯片的一系列微型光機模組。