什么是光波导 衍射光波导在AR硬件应用的重要性

　　衍射光波导是较为主流的AR眼镜光学显示方案，很多AR眼镜采用的都是这种显示方案，如：微软的HoloLens 1和HoloLens 2、Magic Leap的Magic Leap 1和Magic Leap 2，以及OPPO最近上市的消费级AR眼镜OPPO Air Glass。

　　为什么各大AR硬件厂商如此青睐衍射光波导？衍射光波导究竟是什么？

　　今天小编就带大家了解一下什么是衍射光波导。

　　01衍射光波导的定义

　　为了理解的更加透彻，我们可以将衍射光波导拆解成衍射和光波导两部分来看。

　　通常情况下，我们都知道光有三种传播方式：直线传播、反射和折射。比如红外线瞄准器、潜望镜、筷子放入水中看上去像折断一样，就是基于这三种原理。而衍射，则是光的第四种传播方式。

　　17世纪，意大利数学教授弗朗西斯科·格里马第（Francesco Grimaldi）发现并创造了“衍射“一词，这个词源于拉丁语词汇diffringere，意为“成为碎片”，即波原来的传播方向被“打碎”、弯散至不同的方向。

　　实验中，他让一束光穿过两个小孔后照在暗室的屏幕上，发现投影的边缘有一种明暗条纹的图像。所以，衍射就是指波在传播过程中，遇到障碍物或缝隙时，传播方向发生改变的物理现象。

　　由于只有障碍物的尺寸或缝隙的宽度，跟波长相差不多或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。所以我们在日常生活中很难明显见到光的衍射，但在一些特殊情况下，我们还是能够看到。比如，北京上空曾出现的“七彩祥云”就是太阳光经过云中的小水滴和小冰晶产生的衍射现象。

　　衍射说完了，那什么是光波导呢？

　　在我们的世界中，广泛存在着光波、声波、电磁波等各种波。

　　波导是将这些波从一个地方传到另一个地方的装置，所以顾名思义，光波导就是引导光波在其中传播的介质装置。

　　了解完衍射和光波导，也就明白了什么是衍射光波导，简单讲就是基于光的衍射，引导光波传播的介质装置。

　　▲ 衍射光波导

　　进一步解释，衍射光波导就是利用光栅的衍射特性来设计“光路”，让光在设计好的路径上传播，将微投影系统发出的光导入人眼。

　　衍射光栅，这一具有周期性结构的光学元件是衍射光波导最为核心的部分，所以根据光栅类型的不同，又可以将衍射光波导分为两类：表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。

　　02表面浮雕光栅波导

　　表面浮雕光栅，是通过光刻与刻蚀等工艺在材料表面“雕刻“出高峰和低谷，以此实现能够满足所需光学性能的周期性结构。

　　表面浮雕光栅波导如果要将微投影系统（光机）发出的光导入人眼，必须经过耦入和耦出的过程。即光机发出的光通过耦入光栅，进入平板波导，并在其中进行全反射传播，最后再由耦出光栅将光传递到人眼。这里的耦入和耦出光栅，采用的就是表面浮雕光栅。

　　由于纳米级光栅的特征尺寸与光波长相当，这里已经不能将光看成普通光线，而是要把光当做一种电磁波。光在入射到光栅后会发生多级次的衍射。

　　假如光机发出的是单色光（比如绿光），绿光在入射到耦入光栅后，会被分成若干不同方向的光（衍射级次），其中某一个非0衍射级次（比如+1级）会满足平板波导的全反射条件，从而进入到平板波导中进行全反射传播，这个衍射级次就是衍射光波导的工作级次。通过精确控制周期、占空比、槽深、侧壁倾角等光栅参数，可以使绝大部分光能都集中到衍射光波导的工作级次上，也就是绝大部分光能都被耦入到衍射光波导中，这就是衍射光波导的耦入过程。

　　与耦入过程相对应，当在衍射光波导中进行全反射传播的光遇到耦出光栅时，也会产生若干衍射级次，其中某一个非0级次会沿特定方向离开衍射光波导，进而进入人眼，这就是衍射光波导的耦出过程。

　　▲ 衍射级次示意图

　　假如光机发出的是彩色光，那么除了上述过程以外，还会伴随其他复杂情况。由于不同颜色的光的波长不同，其衍射效率也会有所不同。所以在传播过程中，各色光的能量会有不同程度的损耗，进而产生色散。而通过优化各项光栅参数，光栅能够对不同波长的光的能量进行精确控制，进而最大程度消除色散问题，最终让我们看到颜色正常的画面。

　　针对复杂的光栅衍射问题，至格科技自主掌握针对不同类型光栅的全套计算软件。软件算法来源于清华大学光栅与测量实验室20余年的技术积累，基于傅里叶模态法（FMM）能够快速准确地计算光栅的衍射问题。

　　而且同时拥有功能完备的光栅母版加工中心和完整的衍射光波导批量生产体系，实现了设计与制造的紧密配合。在做光栅设计的时候可以兼顾到母版加工和生产制造的工艺能力，遇到问题能够及时调整优化，产品迭代速度非常快。

　　文章开头提到的备受各大AR硬件厂商青睐的衍射光波导，实际指的就是表面浮雕光栅波导。由于具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产成本低的优势，因此基于表面浮雕光栅的衍射光波导被普遍认为是AR行业主流显示技术路线。

　　目前至格科技已具备C端客户的量产交付经验，可以为客户提供从设计、制版到材料和工艺的一站式解决方案，以及快速、稳定、可靠、低成本的衍射光波导量产交付方案。

　　03体全息光栅波导

　　光在体全息光栅波导中的传播过程与表面浮雕光栅波导基本相同。

　　不同之处在于，体全息光栅不是通过“雕刻”，而是通过两束相干光形成的明暗相间的干涉条纹来对基板上的光刻胶薄膜进行曝光，进而在分子层面形成具有折射率差的周期性空间分布。体全息光栅通常工作在布拉格衍射条件下。

　　那么，什么是布拉格衍射条件呢？

　　1912年，德国科学家劳厄发现X射线晶体衍射现象，开创了X射线衍射物理学的研究。同年，劳伦斯·布拉格在卡文迪什实验室经过反复研究，最终得出这是一种波的衍射效应。

　　1913年，劳伦斯·布拉格和亨利·布拉格共同提出了X射线衍射的布拉格形式（即布拉格衍射）。他们发现，当亚原子粒子波进入晶体时，如果粒子波的波长与晶体中原子的间距相近，粒子波就会被晶体中的原子以镜面形式散射出去，并会按照布拉格定律进行相长干涉，形成集中的波峰（布拉格尖峰）。而布拉格条件就是产生相长干涉所需要满足的条件。

　　▲ 布拉格衍射示意图

　　看到这里可能感觉有点难懂，我们可以近似理解成是经过散射后，多个光波在同一路径上的混合叠加。就像老式手电筒通过反光罩将光线汇聚到同一方向，汇聚的地方就会变得更亮。（这里只是为了便于理解，原理与布拉格衍射并不相同）

　　基于布拉格衍射原理，当光波满足布拉格条件时，体全息光栅将会有极高的衍射效率。然而布拉格条件对于入射光的角度和波长有着非常苛刻的要求，一旦无法满足，衍射效率就会迅速下降。这就导致体全息光栅波导很难实现较好的彩色均匀性，无法满足市场需求。

　　目前，体全息光栅波导在显示效果、产品化、产业配套等方面，与表面浮雕光栅波导存在明显差距。

　　04总结

　　AR衍射光波导就是利用光栅的衍射特性来设计“光路”，让光在设计好的路径上传播，将微投影系统发出的光导入人眼。基于衍射光栅类型的不同，衍射光波导又可分为表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。

　　表面浮雕光栅波导同时具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产成本低的优势，因此被普遍认为是AR行业主流显示技术路线。体全息光栅波导虽然有着极高的衍射效率，但受限于布拉格衍射条件，很难解决彩色均匀性问题，并且技术方面仍处于起步阶段，要想实现技术突破还有很长的路要走。

　　随着技术发展与工艺提升，基于表面浮雕光栅的AR衍射光波导已经开始迈进消费级市场。相信未来，将会为更多AR硬件厂商带来极致的AR显示效果。