作者 - 凭楼倚栏听风雨
本期核心关键词 - AR眼镜
注：本期稿件分上下篇，敬请期待。
增强现实（Augmented Reality，AR）是指利用计算机技术将虚拟信息投射到真实世界，真实环境和虚拟物体实时叠加到同一个画面或空间，如图1（a）所示。早在20世纪50年代，国防便成为增强现实的第一个应用领域，如图1（b）所示。基于这些早期的发展，在20世纪90年代，AR/VR经历了第一次繁荣，虽然这项技术领先于当时的市场和时代[1]，但因缺乏消费级惯性测量单元（IMU）传感器、低功耗三维渲染图形处理器和无线数据传输技术，导致了第一次VR/AR热潮的结束。在过去的十年，智能手机技术生态系统，包括相关的显示、连接和传感器系统，塑造了第二次VR/AR热潮的出现，随着高速通信和计算技术的飞速发展，增强现实正在成为人类与数字更深层次互动的下一代显示平台。
👈 图1（a）- 增强现实显示示意图[2]
（b）- 军事领域HMD AR系统[3] 👉
AR眼镜技术路线
1.1 人类视觉系统特征
人类有将近80%的环境信息的获取来自视觉，因此获取视觉信息的方法历来被人们所推崇[4、5]。而研究人类视觉系统的性能参数是研究获取视觉信息方法的先决条件。人类视场分布如图2所示，人眼的单目视场约为160°(水平)× 130°(垂直)。双目联合视场约200°(水平)× 130°(垂直) ，水平重叠区域为120°[6]。关于AR系统，需要在视场和分辨率密度之间进行权衡，而首当其冲的问题是产生一个较大的视场。在各种光学结构中，水平方向上可实现的最大视场通常不超过60°，距离人类视觉极限还有很长的路要走。
图2 - 人类视场分布轮廓图[7]
1.2 微投光机
对于AR微投光机来说，环境光对比度（Ambient Contrast Ratio ：ACR）是一个关键参数，它对显示亮度有极高的要求[8]。根据一般行业准则可知，对于室内应用，图像的亮度至少为500尼特。对于户外应用，所需的亮度需要超过10,000尼特。微投光机和高效的光学组合器是实现如此高亮度的关键。
微投光机决定了AR系统的几个基本属性，如图像亮度、功耗、帧率和基本带宽。目前已有数款微投光机应用于AR眼镜，包括微型发光二极管（Micro-LED）、微型有机发光二极管（Micro-OLED）、硅基液晶（LCoS）、数字微镜阵列（DMD/DLP）、激光束扫描仪（LBS）。参数对比如下表：
表1 - AR微投光机参数比较[7]
1.3 光学组合器
微投光机产生的信息经过光学组合器投射到人眼。光学组合器可分为反射型和衍射型。增强现实相对较成熟的解决方案有棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、波导方案。前三种方案具有良好的成像质量和高光学效率，但它们的外形过于笨重。波导显示解决方案能够很好的解决这个问题，波导方案又可分为几何波导、表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）光波导与全息光波导。采用半反射镜阵列的几何波导具有良好的显示性能，但其视场（Field of view：FOV）和眼盒（Eyebox）受到限制。此外，它还会引入暗条纹，损害图像质量，且几何波导和全息光波导均受到了批量生产的限制。SRG光波导除了可以提供巨大的视场和眼盒之外，还能够采用标准的纳米压印技术批量生产。
除了上述光波导之外，还有导膜共振光栅光波导和超表面光波导，这两种光波导设计及加工技术尚不成熟，还未应用于消费产品中。
● 1.3.1 阵列光波导
阵列光波导由反射表面组成，其工作原理如图3所示，微投光机产生的图像注入波导中。通过全内反射，光线到达半反射镜阵列处，对光线进行二维扩瞳最终出射到人眼。该方案具有视场角中等，图像质量好，出瞳大的优点，其缺点是制作阵列薄膜反射镜工艺较为复杂，成本较高，波导相当厚。在关机状态下，可以看到因阵列薄膜反射镜形成的条纹。制作阵列光波导的一种技术是将两个角度非常尖锐的楔形片精确地粘在一起，其中一个楔形镀有半反射涂层，另一个无反射涂层。这些楔形结构需要用高精度的成型技术进行成型，从而精确地粘合在一起，这是该技术的主要挑战。
图3 - Lumus二维扩瞳阵列波导片[9]
● 1.3.2 全息波导
全息波导使用了体全息光栅（Volume Holographic Grating，VHG）来衍射光，传统的VHG具有较小的折射率对比度，角度带宽和光谱带宽受到限制。近期发展的偏振体全息光栅（Polarization-Volume holographic Grating，PVG）的折射率对比度可以在很宽的范围内进行调谐，这意味着PVG具有较大的带宽，然而，性能优异的PVG对目前的工艺或者材料提出了巨大的挑战。以PVG作为耦入光栅的彩色光波导如图4所示。
图4 - PVG三层彩色波导成像系统结构示意图[3]
● 1.3.3 表面浮雕光栅光波导
表面浮雕光栅光波导使用直齿、闪耀、倾斜等一维光栅或者菱形等二维光栅作为耦入（转折）耦出元件，如图5所示。表面浮雕光栅的工作原理与全息光栅相似，从微投光机发出的光经波导片上的耦入光栅将图形耦入至光波导中，在光波导中以全反射形式传输至耦出光栅区域。其最主要的优点是轻薄，视野中无边框感，出瞳大，但也有相应的缺点，其视场角受波导片的折射率限制，设计复杂度较高，加工工艺复杂，而且由于光栅的色散效应，容易出现”彩虹效应”。
图5 - 光栅结构SEM图
（直齿、闪耀、斜齿、菱形）
光波导设计方案
衍射光波导被认为是最有潜力的方案之一，光波导的设计是其中的核心，下面以表面浮雕光栅光波导为例简述增强现实近眼显示光波导的设计方法。
2.1 SRG光波导设计基本原理
● 2.1.1 SRG光波导的原理
基于光波导的增强现实显示原理如图6所示，微投光机产生虚拟的图像，而后图像光到达光波导并与图中耦入光栅区域相互作用，耦入光栅矢量使得耦入光线的+1级衍射光在光波导内部传播，当光线传播至耦出光栅时-1级衍射光突破全反射条件被耦出，反射的0级衍射光在波导内继续传播从而达到扩瞳的目的，此处的光波导需要足够的平坦从而避免图像MTF的降低。经扩瞳耦出的光线到达人眼，人眼能够在较大的范围内获取完整的虚拟图像。由于光波导为透明介质所以人眼既能够接收到来自微投光机的光线又能够接收到来自外界的环境光，从而达到对现实环境增强的目的，这便是AR近眼显示的基本原理。
图6 - 基于SRG的波导合成器工作原理
● 2.1.2 波导内光线的传播
光线在波导内部的传播需要满足全反射条件，此时的损耗极低，如图7所示。波导介质的折射率为n1，波导介质两侧的折射率为n2，当n1>n2时存在全反射条件sinθ = n2/n1。光线在波导内经过数次全反射向前传播，由于光波导的厚度一般为毫米级或亚毫米级，远大于光的波长，此时传播时无需考虑光的波动性所产生的衍射现象，不必进行复杂的电磁场运算，只需使用几何光学的传播即可。
图7 - 光线在光波导内的传播
● 2.1.3 光线的耦入(转折)耦出
当耦入(转折)耦出结构的特征尺寸大于10倍波长时，可以采用几何光学的方法进行仿真，此时光线在波导组合器中的传播可以采用几何光学的方法模拟光在其中全反射传输时的情形，常见的几何光学仿真软件有Zemax、LightTools、CodeV、Fred或Trace - Pro等。
当结构的特征尺寸小于10倍波长时，需要采用物理光学的方法进行仿真，如图8所示。利用Kogelnik于1969年提出的耦合波理论，可以对体全息光栅的反射和透射模式进行建模[10]。使用上世纪80年代由Moharam和Gaylord [11]创立的严格耦合波理论（RCWA）可以精确地计算SRG的效率，RCWA理论考虑了Kogelnik理论中的近似条件，具有一般化的特征。Kogelnik模型和RCWA只能给出特定衍射阶的效率值。时域有限差分法（FDTD）由Yee于1966年提出并由Talflove和Hagness进一步拓展和完善，它是一种严格的纳米结构建模方法，可以精确计算所有的衍射场、偏振转换效率和各种复杂场，此方法极其耗时。时域有限差分可以模拟非周期纳米结构，RCWA可以精确地模拟准周期纳米结构，Kogelnik理论适合于缓慢变化的折射率调制结构。常见的物理光学仿真软件有Rsoft、 Lumerical FDTD等。这些物理光学仿真模型仅计算了光与衍射结构相互作用的效率，对于整个波导组合器的建模需要将物理光学与几何光学进行联合仿真，两者之间的数据需要使用动态链接库（DLL）相互调用。
图8 - 光在耦入（转折）耦出结构上的衍射图
下篇内容预告：
① 衍射光波导设计中的核心技术分享，如扩瞳方案、K域分析、光波导模型的建立与优化等
② 衍射光波导中的显示不良分析，如鬼像、漏光、彩虹纹等
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