增強現(xiàn)實（AR）便攜式和可穿戴設(shè)備的市場正在迅速增長。在各種硬件實現(xiàn)形式中，帶透明眼鏡的頭戴式顯示器（HMD）或近眼顯示器（NED）可提供最有效和身臨其境的AR體驗。由于其輕薄的特性，光波導被認為是消費級增強現(xiàn)實（AR）眼鏡的無與倫比的選擇，但由于其價格高昂和技術(shù)壁壘，它仍然被禁止。隨著諸如Hololens II和Magic Leap One之類的主流AR可穿戴設(shè)備采用波導解決方案并展示了其批量生產(chǎn)能力，以及最近披露的針對AR光模塊制造商DigiLens，NedAR和LingXi的融資新聞，波導已成為人們關(guān)注的焦點。 AR玻璃行業(yè)的熱門話題。
光波導在AR NED系統(tǒng)中如何工作？所謂的“陣列波導”，“幾何波導”，“衍射波導”，“全息波導”和“體積波導”之間是什么關(guān)系？波導是如何在使AR玻璃行業(yè)發(fā)生革命的過程中開發(fā)的？
1.光波導—隨需應變
光學系統(tǒng)通常由用于VR和AR近眼顯示器（NED）的微型顯示器和成像光學系統(tǒng)組成。微型顯示器可以像微型OLED或時尚的微型LED面板一樣主動提供圖像，也可以通過在基于液晶的顯示器（包括透射型LCD和反射型LCOS），數(shù)字微鏡器件（DMD）和激光上間接照明來間接提供圖像光束掃描儀（LBS）均由微機電系統(tǒng)（MEMS）啟用。與VR相似，顯示像素被成像到一定距離并形成虛擬圖像以投射到人眼。與VR不同，AR NED需要“透視”功能，以便眼睛能夠同時查看現(xiàn)實世界。成像系統(tǒng)無法阻擋正視圖，因此，這需要一個或幾個附加的光學元件來形成“光學組合器”。光學組合器反射虛擬圖像，同時將外部光傳輸?shù)饺搜?，將虛擬內(nèi)容疊加在真實場景的頂部，以使它們相互補充和“增強”。
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在AR NED市場上已經(jīng)展示了多種光學組合器解決方案，這些解決方案通常以反射鏡或部分反射鏡，透鏡或棱鏡為代表。反射表面可以是平坦的，彎曲的或自由形成的，而某些表面可以是偏振的。在這里，我們使用一種簡單的方法對光學解決方案，它們在市場上的代表產(chǎn)品進行分類，并簡要比較它們的特性。由于有關(guān)不同光學解決方案的文章已經(jīng)非常豐富，因此在此我們將不進行詳細介紹，而將重點放在光波導上。顯然，目前還沒有理想的解決方案，因此所有人都可以一起繁榮發(fā)展。每個AR玻璃產(chǎn)品都需要根據(jù)目標方案或用例選擇最合適的玻璃，
不過，在所有當前的光學解決方案中，我們認為，基于其光學性能，外觀和批量生產(chǎn)能力，光波導具有實現(xiàn)消費級AR眼鏡的最大潛力。
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2.波導技術(shù)的優(yōu)缺點
光波導技術(shù)是最近作為一種獨特的光合路器而引入的，因為它通常不承載光功率。但是，這并不是一個全新的概念，其原理與通信網(wǎng)絡(luò)的光纖相同。唯一的區(qū)別是，在我們的案例中，后者傳輸?shù)氖羌t外光而不是可見光。為了使光像游泳蛇一樣在波導內(nèi)部來回反射，“全內(nèi)反射（TIR）”是關(guān)鍵。要進行TIR，必須滿足兩個條件：（1）波導中的高折射率材料（n1> n2）；（2）光的入射角大于臨界角θc。
光學引擎生成虛擬圖像后，波導將圖像耦合，然后通過TIR在幾乎零泄漏的情況下將其傳輸?shù)讲ＡЩ鍍?nèi)部，然后在到達觀看者的眼睛位置時將圖像耦合出去。在整個過程中，波導通常不會影響圖像本身，因此它是獨立于成像系統(tǒng)的光學組合器。
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使用波導作為光學組合器的最大優(yōu)勢是AR眼鏡設(shè)計中的空間優(yōu)化。通過使微顯示器和成像光學器件不受干擾（位于額頭頂部或側(cè)面），不僅可以最大程度地減少視力障礙，還可以優(yōu)化設(shè)備的重量平衡并改善人體工程學。下面列出了波導配置的優(yōu)缺點，并將在本文的全文中進行解釋。
優(yōu)點
大眼罩和改進的機械公差以適應更多的人群-1D和2D出瞳擴展。
視野清晰和重量平衡-波導將虛擬圖像傳輸?shù)窖劬Α?/span>
眼鏡外觀，接近消費品-扁平且薄的目鏡，良好的外部透光率。
適用于設(shè)計迭代和批量生產(chǎn)-具有定制輪廓，納米加工的平板玻璃基板。
多層可堆疊—在3D深度下創(chuàng)建不同深度的虛擬圖像。
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相對較低的光學效率-低的輸入/輸出耦合效率，并且犧牲了大眼罩。
幾何波導：復雜的制造工藝，可能的低成品率。
衍射波導：衍射引起的色散會導致彩虹和霧霾影響圖像質(zhì)量。
衍射波導：高設(shè)計壁壘。
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3.波導類別和比較
如上所述，波導的主要部分是透明的薄玻璃基板（厚度通常在亞納米到幾納米之間變化），由于TIR的緣故，光在頂面和底面之間反射的光很少泄漏。如果對波導中允許進行TIR的輸入角度范圍進行計算，則會發(fā)現(xiàn)視場（FOV）受玻璃折射率的限制。因此，為了獲得更高的FOV，康寧和肖特等玻璃制造商正在以晶圓規(guī)模開發(fā)高折射率玻璃基板，特別是針對該市場。
使波導技術(shù)彼此不同的地方在于用于將光耦合進出波導的結(jié)構(gòu)，它們之間通過光的TIR傳輸連接。光波導通?？煞譃閹缀晤愋秃脱苌漕愋?。幾何波導是所謂的“陣列波導””，它通過一系列透反射鏡在一個維度上擴展了眼盒。幾何波導的領(lǐng)先光學公司是Lumus。到目前為止，市場上還沒有成熟的AR玻璃產(chǎn)品，但數(shù)量很多。衍射波導覆蓋表面浮雕光柵（SRG）結(jié)構(gòu)和體積全息光柵（VHG）結(jié)構(gòu)。Hololens和Magic Leap都使用SRG結(jié)構(gòu)，而Digilens則是VHG的先驅(qū)以及去年蘋果公司采用的Akonia。VHG技術(shù)相對不那么成熟，目前提供有限的FOV，但可能會提供更好的色彩性能。由于篇幅的限制，我們將首先介紹幾何波導，并將衍射波導保存到下一次。
（1）幾何波導
幾何波導大約是在二十年前首次引入的，并由以色列公司Lumus率先開發(fā)。如圖5（a）所示，來自光學引擎的光通過反射鏡或棱鏡結(jié)構(gòu)耦合到波導中。當?shù)竭_觀看者眼球正前方的位置時，玻璃基板內(nèi)部會發(fā)生多個TIR反射，光線會遇到一系列透反射表面以釋放圖像。甲透反射（透射+反射）表面以一定角度嵌入波導基板內(nèi)部，以將一部分光反射到我們的眼睛，并使其余的光通過以進一步傳播。它還可以傳輸來自現(xiàn)實世界的光，以用作光學組合器。然后，透射光遇到另一個透反射表面，并重復相同的透射和反射過程。
在常規(guī)的光學成像系統(tǒng)中，光僅通過所謂的“出射光瞳”出射。在此，透反射表面會重復幾次以提供相同的圖像輸出，從而在水平方向上擴大出瞳。這種設(shè)計稱為“一維出射光瞳擴展（EPE） ”。您可能想知道，多個出瞳會在我們的眼睛中造成雙像還是陰影像？不用擔心，出瞳只是虛擬圖像的“傅立葉平面”，人眼將通過其唯一的透鏡將該平面的角度信息轉(zhuǎn)換為空間信息。然后圖像在“圖像平面”上形成-我們的視網(wǎng)膜，所有處于相同角度的光線（即使它們來自不同的出瞳）也會合并到同一像素上，因此只能生成一張圖像。它可能有點抽象而無法理解，但這是EPE的本質(zhì)。例如，如果到波導的輸入光束的直徑為4毫米，而沒有EPE結(jié)構(gòu)，則輸出光瞳將保持為4毫米，因為波導除了傳輸光以外沒有對光進行任何修改。這意味著您的眼睛只能在瞳孔中心在此4毫米范圍內(nèi)移動的情況下清楚地看到虛像。通過實施EPE結(jié)構(gòu)，出瞳可以擴展到10毫米以上，從而使您的眼睛的運動盒更大。
對于AR眼鏡來說，眼盒對于適應不同瞳距的用戶來說非常重要，視年齡，性別等，瞳距在51毫米至77毫米之間。
該技術(shù)解決了AR眼鏡產(chǎn)品設(shè)計中的許多問題，例如機械公差，產(chǎn)品SKU（例如，男女的不同規(guī)格），人體工程學和用戶界面設(shè)計等。因此，采用EPE的光波導推動了AR眼鏡的發(fā)展。邁向消費級產(chǎn)品。但是，沒有免費的午餐。眼盒的擴展是以平均后每個點的光輸出較少為代價的。這是與常規(guī)方法相比波導具有較低光學效率的主要原因。
幾何波導利用常規(guī)的幾何光學設(shè)計過程，仿真工具和制造過程，而不涉及任何花哨的亞波長結(jié)構(gòu)。由于幾何光學結(jié)構(gòu)不會對顏色造成任何偏差，因此生成的圖像可以具有很高的質(zhì)量。但是，在制造過程中似乎存在挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一是透反射鏡的涂層。由于在波導內(nèi)部傳播期間留下的光越來越少，因此對于每個反射鏡而言，所需的反射/透射比將有所不同，以確保在整個眼盒內(nèi)輸出均勻的光。而且由于光由于LCOS的性質(zhì)而被偏振，而LCOS經(jīng)常被用作幾何波導系統(tǒng)的微型顯示器，因此每個反射鏡的表面上可以具有十層以上的薄膜涂層。
此外，在對每個鏡子進行鍍膜處理之后，需要將它們堆疊并粘在一起，然后以精確的角度切割。膠合和切割的精度也會影響玻璃板的平行度，從而影響圖像質(zhì)量。盡管每個步驟都是常規(guī)的光學制造工藝，并且可能具有很高的成品率，但是將所有繁瑣的步驟和部件組合在一起以實現(xiàn)合理的總成品率卻頗具挑戰(zhàn)性。任何處理步驟的不精確性都可能導致最終的虛擬圖像出現(xiàn)缺陷，例如黑線，不均勻性，重影等。此外，盡管制造進步已使微顯示關(guān)閉時鏡面陣列的可見度降至最低，但我們?nèi)匀豢梢栽谀跨R上將它們視為“條紋”，這會阻礙正常視力，并且還會影響AR眼鏡的外觀。
