導(dǎo)讀

在過去幾十年中，隨著技術(shù)創(chuàng)新、微型顯示技術(shù)的崛起以及高速數(shù)字處理器的迅速發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)已經(jīng)從一個(gè)遙不可及的未來概念演變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)世界中的一項(xiàng)普及技術(shù)。AR通過將虛擬內(nèi)容與真實(shí)場(chǎng)景完美融合，提升了我們對(duì)環(huán)境的感知和互動(dòng)，為元宇宙、數(shù)位分身和空間計(jì)算等概念帶來了令人興奮的可能性。目前，這些概念已經(jīng)在智能教育和培訓(xùn)、智能醫(yī)療、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、游戲和娛樂，以及智能制造和裝配等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

然而，要實(shí)現(xiàn)AR的最終愿景，硬件的發(fā)展仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，尤其是光學(xué)合成器。作為AR系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，光學(xué)合成器必須在保持頭戴設(shè)備超輕薄的同時(shí)，具備卓越的光學(xué)性能才能匹配人類視覺系統(tǒng)極為出色的性能。

經(jīng)過數(shù)十年的設(shè)備和材料研究以及對(duì)制造技術(shù)的大量投資，波導(dǎo)合成器已經(jīng)脫穎而出，使這一愿景變?yōu)榭赡堋?/p>

近日，來自中佛羅里達(dá)大學(xué)的Shin-Tson Wu教授團(tuán)隊(duì)在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight上發(fā)表綜述Waveguide-based augmented reality displays: perspectives and challenges。

首先回顧了AR中光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)合成器這兩個(gè)關(guān)鍵組成部分的發(fā)展現(xiàn)狀。詳細(xì)介紹了幾何波導(dǎo)和衍射波導(dǎo)兩種合成器的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，并全面審視了這兩種波導(dǎo)類型的耦合器。此外，還討論了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案。作者深入探討了波導(dǎo)合成器的設(shè)計(jì)，包括擴(kuò)大出瞳、擴(kuò)展視場(chǎng)角、耦合器的幾何設(shè)計(jì)、全彩顯示和均勻性優(yōu)化等方面。最后，討論了限制充分發(fā)揮波導(dǎo)合成器潛力的瓶頸，為AR顯示指明了未來發(fā)展方向。

一、波導(dǎo)耦合器件

波導(dǎo)合束器依靠全反射來傳導(dǎo)光場(chǎng)，使其具有寬廣的視野和纖薄的外形。然而，波導(dǎo)合束器的關(guān)鍵組件是耦合器，因?yàn)轳詈掀鞯慕嵌群凸庾V特性將直接影響成像參數(shù)和質(zhì)量。在過去幾十年中，多種不同類型的耦合器已經(jīng)被提出，包括棱鏡、鏡子、浮雕光柵、全息光柵和超表面器件等。根據(jù)它們的特性，這些耦合器基本上可以分為幾何波導(dǎo)耦合器和衍射波導(dǎo)耦合器（如圖1）。    

圖1. （a）幾何波導(dǎo)合成器結(jié)構(gòu)，（b）衍射波導(dǎo)合成器結(jié)構(gòu)。

1、幾何波導(dǎo)耦合器

幾何波導(dǎo)合成器主要由折反射等器件組成，主要采用棱鏡和鏡子作為主要耦合器件。鏡子可用作入射耦合器和出射耦合器。在早期幾何波導(dǎo)設(shè)計(jì)中，完全反射式的鏡子被用作入射耦合器，將來自光機(jī)的光引導(dǎo)進(jìn)波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)全反射。隨后，光在波導(dǎo)中傳播，遇到另一個(gè)鏡子，然后完全耦出到用戶的眼睛中。然而，這種設(shè)計(jì)在視野（FoV）和eyebox大小方面存在限制。為了解決這一問題，部分反射鏡子陣列被用作出射耦合器，使光能夠均勻多次地從波導(dǎo)中耦出，從而實(shí)現(xiàn)大而均勻的eyebox。盡管這一過程看似簡(jiǎn)單，但每個(gè)部分反射鏡子都需要經(jīng)過多次復(fù)雜的鍍膜處理，以生成不同的反射透射比，這大大增加了這種波導(dǎo)量產(chǎn)的難度。另一種常見的耦合器是棱鏡，通常用作入射耦合器，將光引導(dǎo)入波導(dǎo)中，有時(shí)也用作出射耦合器。作為入射耦合器，棱鏡通常粘附在波導(dǎo)表面上，或者通過波導(dǎo)的邊緣被切成一個(gè)角度來實(shí)現(xiàn)。    

幾何波導(dǎo)合成器的主要問題源于耦合器上不希望出現(xiàn)的反射，這可能導(dǎo)致雜散光和鬼像，嚴(yán)重降低圖像的質(zhì)量。這些雜散光產(chǎn)生的原因有三種主要方式。首先，入射光與耦入鏡子之間發(fā)生兩次相互作用，產(chǎn)生雜散光。這種雜散光可以通過將入射鏡子替換為具有吸收特性的棱鏡來消除。另外兩種情況分別是波導(dǎo)中的光與出射鏡子的前表面或后表面發(fā)生不希望有的反射，均源于出射鏡子在特定角度上的不完美透射。為解決這些雜散光問題，未來的鍍膜技術(shù)需要有更高的要求。

2、衍射波導(dǎo)耦合器

如字面所示，衍射波導(dǎo)合成器主要依賴衍射光學(xué)元件作為耦合器。在衍射光學(xué)元件中，光柵是最常見的耦合器類型。光柵展現(xiàn)出自我重復(fù)的衍射結(jié)構(gòu)，可以通過在光學(xué)元件表面進(jìn)行表面調(diào)制、在其體積內(nèi)進(jìn)行折射率調(diào)制，或者采用其他相位調(diào)制方法，如幾何相位調(diào)制和諧振相位調(diào)節(jié)等。具體而言，衍射光柵耦合器主要分為四種類型：表面浮雕光柵（SRGs）、體全息光柵（VHGs）、偏振體全息光柵（PVGs）和超表面光柵。由于光柵會(huì)引入色散問題，因此通常入射耦合器和出射耦合器需要具有對(duì)稱的k矢量結(jié)構(gòu)以解決這個(gè)問題。但在某些情況下，入射耦合器和出射耦合器也可以采用離軸衍射透鏡。本綜述全面討論了四種光柵耦合器的原理、光學(xué)特性以及制造工藝，并提出了未來的發(fā)展需求。

除此之外，本文特別指出，隨著衍射耦合器材料性能和制造工藝的提升，衍射波導(dǎo)合成器顯示出巨大的潛力，但與此同時(shí)也帶來了一系列挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括彩虹效應(yīng)、入射耦合器的漏光（低效率）、出射耦合器的漏光（眼睛發(fā)光效應(yīng)）、鬼像和相位失真等。文章對(duì)這些問題進(jìn)行了深入分析，并提出了可能的解決方案。

二、波導(dǎo)合成器設(shè)計(jì)

1、擴(kuò)大出瞳（EPE）

與傳統(tǒng)的AR顯示系統(tǒng)相比，基于波導(dǎo)的AR顯示系統(tǒng)通過EPE過程提供了更大的eyebox。這項(xiàng)技術(shù)提高了系統(tǒng)的etendue，同時(shí)保持超薄結(jié)構(gòu)。該綜述全面回顧了各種不同的擴(kuò)瞳方案，討論了它們的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。這些擴(kuò)瞳方案包括一維擴(kuò)瞳、傳統(tǒng)二維擴(kuò)瞳（由兩個(gè)不同方向的一維擴(kuò)瞳組成）、由兩個(gè)交叉光柵組成二維擴(kuò)瞳、蝴蝶結(jié)構(gòu)擴(kuò)瞳、集成雙軸擴(kuò)瞳以及四光柵序列擴(kuò)瞳等。由于幾何波導(dǎo)和衍射波導(dǎo)利用不同的原理，它們的擴(kuò)瞳方案也有所不同，本文對(duì)這些差異進(jìn)行了詳細(xì)討論。

2、擴(kuò)展FoV

FoV反映了圖像在用戶眼前的顯示大小。在波導(dǎo)合束器中，F(xiàn)oV主要受兩個(gè)因素的限制。首先，波導(dǎo)基底的折射率是幾何波導(dǎo)合束器和衍射波導(dǎo)合束器中FoV受限的根本原因之一。具體而言，由于衍射波導(dǎo)和幾何波導(dǎo)利用不同的原理，幾何波導(dǎo)的理論FoV天然較衍射波導(dǎo)的理論FoV大近兩倍。另一個(gè)因素主要源自耦合器的角度響應(yīng)。即使波導(dǎo)的折射率再高，耦合器的角度響應(yīng)也會(huì)直接決定最終的FoV。因此，要實(shí)現(xiàn)FoV的擴(kuò)展，需要同時(shí)考慮這兩個(gè)因素。該綜述詳細(xì)探討了各種不同的方法來擴(kuò)展耦合器的角度響應(yīng)。例如，通過優(yōu)化SRG的結(jié)構(gòu)參數(shù)、增加VHG的折射率調(diào)制、增加液晶的雙折射、設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)、采用滾動(dòng)k矢量入射耦合器，還有超表面的偏振復(fù)用等。

3、波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)光學(xué)合成器不同，波導(dǎo)合成器的厚度幾乎不受FoV和eyebox的影響。然而，波導(dǎo)耦合器的結(jié)構(gòu)尺寸與FoV和eyebox的大小密切相關(guān)。本綜述詳細(xì)介紹了入射耦合器、出射耦合器和EPE耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及以傳統(tǒng)的二維擴(kuò)瞳方案為例進(jìn)行了解釋。通常情況下，入射耦合器的大小取決于光機(jī)的輻射錐大小以及準(zhǔn)直透鏡的焦距，而出射耦合器的尺寸則由FoV和eyebox決定。隨后，根據(jù)視場(chǎng)角、入射耦合器和出射耦合器的大小和位置，可以確定EPE耦合器的設(shè)計(jì)。    

4、全彩顯示

在幾何波導(dǎo)合束器中，所有的耦合器均為折射或反射元件，這使得入射光與耦合器相互作用時(shí)幾乎不會(huì)引發(fā)色散問題。因此，單一波導(dǎo)可以同時(shí)傳播RGB顏色，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。然而，衍射波導(dǎo)合成器面臨色散問題的挑戰(zhàn)。衍射引入的色散使得實(shí)現(xiàn)全彩顯示變得困難。通常在一片波導(dǎo)中，可以利用k矢量對(duì)稱的入射與出射光柵來彌補(bǔ)衍射造成的色散，但這仍然可能導(dǎo)致顏色的不均勻性。由于光譜通常由紅、綠和藍(lán)三種顏色組成，因此緩解色散問題的一種簡(jiǎn)單方法是使用三個(gè)波導(dǎo)分別傳導(dǎo)這三種顏色的光。盡管這種方法可以顯著增加FoV，但也會(huì)增加系統(tǒng)的厚度和重量，并引入錯(cuò)位問題，從而影響成像質(zhì)量。因此，在保持FoV不變的情況下減少波導(dǎo)數(shù)量變得至關(guān)重要。最近滿足此要求的兩層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出，其中一層波導(dǎo)傳播藍(lán)色和部分綠色光場(chǎng)，另一層波導(dǎo)傳播紅色和其余綠色光場(chǎng)。然而，這種設(shè)計(jì)需要對(duì)波導(dǎo)的效率進(jìn)行精確控制，以確保兩部分綠色光場(chǎng)能夠無縫連接。此外，還可以采用消色差耦合器，如消色差超表面器件。由于超表面具有較高的設(shè)計(jì)自由度，這使得實(shí)現(xiàn)消色差成為可能。但要實(shí)現(xiàn)全部可見光波段的色差校正可能會(huì)導(dǎo)致超表面器件過小。因此，對(duì)紅、綠、藍(lán)三種顏色進(jìn)行色差校正可能已足夠，從而實(shí)現(xiàn)大尺寸的超表面耦合器。到目前為止，多層超表面結(jié)構(gòu)，例如由TiO2和SiO2構(gòu)成的多層納米脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)以及由Al、Ag和Au構(gòu)成的三層超表面結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出，但加工這些多層結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。未來，有望利用色散工程超表面方案，通過單層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)色差校正。

5、均勻性優(yōu)化    

均勻性是AR顯示技術(shù)中的重要概念，通常包括顏色均勻性和亮度均勻性兩個(gè)方面。顏色均勻性涉及AR顯示在FoV和eyebox中對(duì)色彩的準(zhǔn)確再現(xiàn)。在幾何波導(dǎo)中，由于主要依賴折射和衍射原理，顏色均勻性通常不成問題。然而，在衍射波導(dǎo)中，由于衍射效應(yīng)，顏色均勻性可能會(huì)受到較大的影響。盡管采用三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上提高顏色均勻性，但由于紅、綠、藍(lán)LED光源仍然具有大約30納米的光譜寬度，這并不能直接解決問題。因此，通過優(yōu)化EPE耦合器和出射耦合器等方法可以緩解顏色均勻性問題，如調(diào)整SRGs的高度和占空比、優(yōu)化VHGs的Bragg角度以及調(diào)整PVGs的入射光偏振態(tài)等。亮度均勻性是AR顯示中另一個(gè)關(guān)鍵因素，它涉及AR顯示在FoV和eyebox內(nèi)提供一致亮度的能力。無論是在幾何波導(dǎo)還是衍射波導(dǎo)中，都需要對(duì)EPE耦合器和出射耦合器的效率進(jìn)行精確控制，以確保亮度均勻性。因此，耦合器參數(shù)的優(yōu)化對(duì)實(shí)現(xiàn)亮度均勻性至關(guān)重要。最后，為了進(jìn)一步減輕均勻性問題，可以考慮使用電子矯正方法。然而，這種方法也可能導(dǎo)致系統(tǒng)效率的犧牲。因此，在AR顯示技術(shù)的發(fā)展中，如何在均勻性和效率之間取得平衡成為一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

三、前景與挑戰(zhàn) 

這一綜述全面總結(jié)了基于波導(dǎo)的AR顯示技術(shù)的最新進(jìn)展，并探討了兩種主要波導(dǎo)合成器，即幾何波導(dǎo)合成器和衍射波導(dǎo)合成器的原理、特點(diǎn)以及面臨的挑戰(zhàn)。在表1中，作者總結(jié)了這兩種波導(dǎo)合成器的關(guān)鍵光學(xué)性能。

表1. 不同波導(dǎo)合成器的比較

在一般情況下，幾何波導(dǎo)合成器擁有潛在較大的視場(chǎng)角、良好的顏色均勻性、可忽略的眼睛發(fā)光現(xiàn)象以及高效率等優(yōu)點(diǎn)，但其制造工藝較為復(fù)雜，且產(chǎn)量較低。因此，急需開發(fā)高質(zhì)量且高產(chǎn)量的涂層技術(shù)。反之，衍射波導(dǎo)合成器的效率相對(duì)較低，視場(chǎng)角較小，同時(shí)存在其他問題，如顏色均勻性差、嚴(yán)重的眼睛干擾和彩虹效應(yīng)。對(duì)于衍射波導(dǎo)來說，均勻性和效率是兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，但它們之間又相互制衡。因此，如何提高衍射波導(dǎo)合成器的效率并保持良好的均勻性將成為未來最迫切需要解決的問題。隨著各種EPE設(shè)計(jì)、制造工藝以及衍射耦合器材料性能的迅速提升，衍射波導(dǎo)逐漸能與幾何波導(dǎo)媲美。例如，通過光刻技術(shù)制造的SRG和具有高折射率調(diào)制的全息聚合物分散液晶(HPDLC)。此外，新型的衍射耦合器PVGs具有獨(dú)特的光學(xué)特性，如動(dòng)態(tài)調(diào)制能力，可以增強(qiáng)基于波導(dǎo)的AR顯示的功能性。與此同時(shí)，新興的超表面耦合器為AR波導(dǎo)的設(shè)計(jì)提供了更廣泛的自由度，例如色差校正。盡管目前PVG和超表面耦合器仍處于研究階段，但隨著制造工藝的進(jìn)步和材料的發(fā)展，它們有望在AR顯示中提供更卓越的性能，甚至超越傳統(tǒng)耦合器。這些創(chuàng)新預(yù)計(jì)將推動(dòng)AR顯示技術(shù)邁向更廣闊的前景，改變我們與數(shù)字世界互動(dòng)的方式。

論文信息 

Ding, Y., Yang, Q., Li, Y. et al. Waveguide-based augmented reality displays: perspectives and challenges. eLight 3, 24 (2023).       

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00057-z

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