姜玉婷，張 毅，胡躍強，3*，郭曉明，宋 強*，段輝高，3

（1.湖南大學機械與運載工程學院國家高效磨削中心，湖南長沙410082；2.深圳瓏璟光電技術(shù)有限公司，廣東深圳518100；3.湖南大學深圳研究院瓏璟光電微納光學先進制造實驗室，廣東深圳518100）

1 引 言

近年來，隨著計算機科學的迅猛發(fā)展，基于近眼顯示設(shè)備的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）與增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等人機交互技術(shù)逐漸成為應用熱點。根據(jù)交互方式的不同，VR近眼顯示設(shè)備通過計算機生成一個虛擬環(huán)境，觀察者可以觀察、觸摸虛擬環(huán)境中的事物并與之進行交互；而AR近眼顯示設(shè)備生成的虛擬環(huán)境則疊加到現(xiàn)實世界中，觀察者可以在看到虛擬環(huán)境的同時與現(xiàn)實世界進行交互，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的目的［1-3］，因此AR相對于VR具有更強的交互能力，在教育［4-6］、醫(yī)療［7-8］與軍事［9-10］等方面均表現(xiàn)出更具潛力的發(fā)展趨勢。

目前，大多近眼顯示（Near-Eye Display，NED）設(shè)備僅僅局限于視覺這一感官上，即將光束引導進觀察者的眼中，從而完成虛擬與現(xiàn)實圖像的疊加。早期的近眼顯示設(shè)備以頭盔顯示器（Head Mounted Display，HMD）為主，首個HMD設(shè)備于1968年由Sutherland教授發(fā)明［11-12］。根據(jù)獲得現(xiàn)實圖像方法的不同，HMD可分為視頻透射式［13-14］和光學透射式。視頻透射式HMD方案中，通過攝像機攝取現(xiàn)實圖像并與虛擬圖像整合疊加，通過顯示器以視頻的方式呈現(xiàn)在觀察者眼前，該方案成本較低，但圖像在傳輸過程中質(zhì)量的降低與時間的延遲等問題較為嚴重，很難獲得理想的成像效果。光學透射式HMD方案中，外部環(huán)境光不經(jīng)處理直接進入人眼，只需將虛擬圖像傳輸至人眼便可達到疊加虛擬圖像與現(xiàn)實圖像的目的，該方案相對于視頻透射式HMD具有更強的真實性與交互性，因此以往的絕大多數(shù)AR近眼顯示設(shè)備都采用光學透射式HMD。隨著設(shè)備向著微型化的方向發(fā)展，在龐大的HMD設(shè)備無法滿足用戶需求的情況下，Google與微軟等公司基于不同的光束傳播原理，已經(jīng)研發(fā)出以眼鏡等形態(tài)為主的各類輕便式AR近眼顯示設(shè)備。

圖1 AR近眼顯示設(shè)備光學系統(tǒng)及光波導的原理與分類Fig.1 Optical system of AR near-eye display devices and principles and classification of optical waveguide

圖1 （a）和1（b）所示是以傳統(tǒng)光學元件為主的各類AR近眼顯示設(shè)備的光學系統(tǒng)。圖1（a）所示為Google Glass［15-17］初代設(shè)備中的光學系統(tǒng)，通過在人眼前設(shè)置一個半透半反棱鏡，使投影儀發(fā)出的光束被半透半反棱鏡反射進入人眼，外部環(huán)境光透過半透半反棱鏡后直接進入人眼，從而達到增強現(xiàn)實的目的［15］。圖1（b）所示是基于離軸非球面反射鏡方案的光學系統(tǒng)［18］，這種方案的原理與基于半透半反棱鏡方案的原理類似，但非球面反射鏡憑借更大的體積獲得了更廣的視場角，同時也帶來了更嚴重的像差。此外，還有如圖1（c）所示的基于自由曲面光學元件方案的光學系統(tǒng)［19-24］。光束經(jīng)過全反射面反射到自由曲面棱鏡，在自由曲面棱鏡處再次反射進人的眼睛，該方案中自由曲面棱鏡不僅提供了更大的設(shè)計自由度，而且在一定程度上提高了圖像質(zhì)量，但它的加工較為困難。上述方案的結(jié)構(gòu)與原理較為簡單，但圖像質(zhì)量較差，并且體積較大，阻礙了AR近眼顯示設(shè)備的微型化發(fā)展，因此為了在保證圖像質(zhì)量與大視場角的同時盡可能減小設(shè)備的體積，光波導成為提升AR近眼顯示設(shè)備性能的研究核心。光波導的基本原理如圖1（d）所示，耦入?yún)^(qū)域的光學元件將微投影光機發(fā)出的光束耦入進波導片并以全反射的方式傳播。常用的微投影光機包括發(fā)光二極管（Light Emitting Di?ode，LED）、有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）、硅上液晶（Liquid Crys?tal on Silicon，LCOS）和激光掃描顯示器（Laser Scanning Display，LSD）［25］。耦出區(qū)域的光學元件將波導片中傳播的光束耦出到人眼，其中根據(jù)光束耦入耦出區(qū)域光學元件的不同，耦入?yún)^(qū)域可以是反射鏡、棱鏡、表面浮雕光柵和體全息光柵等，耦出區(qū)域可以是陣列半透射半反射鏡、表面浮雕光柵和體全息光柵等，光波導的具體分類如圖1（e）所示。幾何光波導方案中最常見的是陣列光波導［26-29］，微投影光機發(fā)出的光束首先被反射鏡耦入波導，隨后在耦出區(qū)域經(jīng)過大量的半透半反鏡后進入人眼，這種結(jié)構(gòu)的視場角和成像均勻性優(yōu)良，同時堆疊的鏡片陣列可以實現(xiàn)出瞳擴展并且獲得較大的動眼眶范圍。衍射光波導方案中采用衍射光學元件傳輸光束，其中衍射光柵較為常見。根據(jù)光柵種類的不同，衍射光波導主要可分為表面浮雕光柵波導［30-31］與體全息光柵波導［9-10，32-34］。表面浮雕光柵波導的技術(shù)較為成熟，市場中基于衍射光波導的AR近眼顯示設(shè)備大多都采用了表面浮雕光柵波導，而體全息光柵波導受材料與工藝等因素的限制，在性能與大規(guī)模量產(chǎn)等方面仍與表面浮雕光柵波導有一定的差距。

本文對幾何光波導與衍射光波導的設(shè)計原理和方法進行了闡述，并對目前AR近眼顯示技術(shù)研究已取得的成果進行綜述，隨后對光波導制備方案中常用的加工工藝進行了總結(jié)，最后分析了AR近眼顯示技術(shù)仍存在的問題，并對其發(fā)展與應用前景進行了展望。

2 幾何光波導方案

幾何光波導是基于傳統(tǒng)幾何光學的原理進行設(shè)計和制造的光波導方案，分為鋸齒光波導和陣列光波導。因幾何光學的原理簡單，幾何光波導的設(shè)計思路相對明確、制備技術(shù)較為成熟，同時結(jié)合擴瞳技術(shù)可以在保證圖像質(zhì)量同時獲得較大的動眼眶范圍。憑借著這些優(yōu)點，幾何光波導方案備受研究人員的青睞，成為目前AR近眼顯示技術(shù)的主流方案之一。

2.1 鋸齒光波導

在鋸齒光波導方案中，光束首先以一定入射角度入射進波導片，其出瞳區(qū)域的結(jié)構(gòu)為具有一定反射率的鋸齒狀反射面，用于將光束反射耦出到人眼。圖2（a）為Zhang等人設(shè)計的一種具有鋸齒斜面結(jié)構(gòu)的光學系統(tǒng)［35］，波導片內(nèi)傳輸?shù)墓馐ㄟ^鋸齒結(jié)構(gòu)反射進入人眼，外部環(huán)境光經(jīng)過波導片直接進入人眼。圖2（b）為Xu等人設(shè)計的AR近眼顯示設(shè)備中的光學系統(tǒng)［36］，該方案利用間斷式的鋸齒結(jié)構(gòu)，完成虛擬圖像與外部環(huán)境圖像的合并。但是這種方案易受雜散光的影響，因為光束在鋸齒結(jié)構(gòu)上經(jīng)過一次以上的反射就會成為雜散光，并且隨著齒數(shù)增多，雜散光也會相應增多，雜散光的存在會影響對比度從而降低圖像質(zhì)量。為了解決這個問題，需要調(diào)整波導片的厚度。此外由于該方案中有一部分沒有鋸齒結(jié)構(gòu)，所以不能傳播全部能量，能量利用率較低，特別在視場角較大時能量損失尤為嚴重。

2.2 陣列光波導

圖2 （c）所示為陣列光波導方案的原理。這種方案與鋸齒光波導方案相比，具有雜散光少、能量分布均勻、視場角大等明顯優(yōu)勢。陣列光波導中反射光學元件布滿整個波導片，耦入?yún)^(qū)域中反射鏡將光束引導進波導片，耦出區(qū)域中陣列排布了一些具有角度選擇性的半透半反薄膜面，每個薄膜面會將部分光束反射耦出波導片進入人眼，未耦出的光束透射過薄膜面繼續(xù)在波導片中傳輸。這部分光束在傳輸?shù)较乱粋€薄膜面時，會重復上述的“反射-透射”過程，直到陣列里的最后一個薄膜面將剩余光束反射出波導片進入人眼。多次反射不僅能將出射光“調(diào)整”得比較均勻，而且能將波導片中的光束分批多次出射以實現(xiàn)擴瞳技術(shù)、增大動眼眶范圍，進而擴大AR近眼顯示設(shè)備的服務范圍。

圖2 幾何光波導方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of geometrical optical waveguide scheme

Lumus公司致力于陣列光波導元件的開發(fā)，經(jīng)過數(shù)十年的迭代優(yōu)化，已經(jīng)研發(fā)出很多優(yōu)秀的產(chǎn)品。Lumus公司最初推出的陣列光波導方案只實現(xiàn)了一維方向的擴瞳［37］，該方案的結(jié)構(gòu)較為簡單，為了提高視場角，需要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，即在設(shè)計反射陣列時需要考慮各個半透半反面透光的均勻性，因此設(shè)計難度大幅增加。通過合理優(yōu)化反射陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改善亮暗條紋的不均勻性，在人眼能夠分辨的顏色均勻性范圍內(nèi)實現(xiàn)較高質(zhì)量的成像。此外Google和微軟也設(shè)計出了類似的光波導結(jié)構(gòu)，以滿足用戶的需求［38-39］。為了進一步提升AR近眼顯示設(shè)備的性能，Lumus公司在一維擴瞳方案的基礎(chǔ)上提出了二維擴瞳方案。他們在兩個區(qū)域內(nèi)分別設(shè)置一組反射陣列，第一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)一個方向的擴瞳，同時將光束引導至第二區(qū)域，第二區(qū)域?qū)崿F(xiàn)另一個方向的擴瞳，并將光束耦出，最終獲得了較為理想的動眼眶范圍［40］。圖2（d）與圖2（e）所示分別為Lumus公司制造的型號為OE33的陣列光波導產(chǎn)品與瓏璟光電設(shè)計的陣列光波導光路。

在設(shè)計陣列光波導時不僅要充分考慮雜散光與人眼兼容性等各項性能指標；而且為了有效擴大出瞳還要引入更多反射面，但是對所有反射面進行“半透半反”的鍍膜工藝比較繁瑣，因此陣列光波導的設(shè)計過程較為復雜。為了防止光束在鏡面陣列中逐漸變?nèi)醵鴮е鲁龉獠痪鶆颥F(xiàn)象的發(fā)生，不同鏡面的反射透射比也要不同，而不同的反射透射比則通過在鏡面鍍不同層數(shù)的膜來實現(xiàn)，之后不同的鏡面需要用特殊的膠水進行粘合，并按照特定的角度切割成不同的形狀。這個過程中，鍍膜工藝的好壞、鏡面與鏡面之間的平行度以及最后切割的角度等因素都會影響最終設(shè)備的成像質(zhì)量。因此，多個膜層的反射率和透射率控制、整機優(yōu)化、鍍膜，最終保證整個動眼框范圍內(nèi)的成像均勻性，實現(xiàn)成像質(zhì)量的提高，是陣列光波導研究的重點。

3 衍射光波導方案

衍射光波導與幾何光波導不同，它的設(shè)計不依賴于幾何光學，而是利用光的衍射效應，主要采用光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對光束的調(diào)制。雖然光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程較為復雜，但提供了較大的設(shè)計自由度，通過計算優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)后的衍射光波導AR近眼顯示設(shè)備可以獲得優(yōu)良的成像效果與較大的視場。隨著微納加工技術(shù)與大批量制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，衍射光波導也逐漸受到關(guān)注，其相關(guān)產(chǎn)品也逐步開始研發(fā)。

3.1 表面浮雕光柵波導

表面浮雕光柵波導方案中通過使用亞波長尺度的表面浮雕光柵（Surface Relief Grating，SRG）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折反射元件（Refractive Optical Element，ROE）作為光波導中耦入、耦出和擴展區(qū)域的光學元件，從而實現(xiàn)對光束的調(diào)制。表面浮雕光柵指的是在表面產(chǎn)生的周期性變化結(jié)構(gòu)，即在表面形成的各種具有周期性的凹槽。根據(jù)凹槽的輪廓、形狀和傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，常用的表面浮雕光柵可以分為一維光柵與二維光柵。一維光柵根據(jù)剖面形狀劃分為矩形光柵、梯形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結(jié)構(gòu)有六邊形分布的柱狀光柵。

表面浮雕光柵對光束進行調(diào)制時，光束的傳輸嚴格遵循光的衍射方程，其衍射方向與入射光的波長和入射角、光柵周期以及介質(zhì)的材料等參數(shù)有關(guān)。通常采用嚴格耦合波法設(shè)計表面浮雕光柵，通過設(shè)計優(yōu)化光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以在理論上獲得極高的衍射效率，從而提高成像質(zhì)量。

3.1.1 一維衍射光柵

一維衍射光柵指的是在單一方向具有周期性線性排布的光柵結(jié)構(gòu)。圖3（a）所示為一維衍射光柵原理，根據(jù)衍射理論，當光束經(jīng)過耦入?yún)^(qū)域時會被分束為多個不同角度的衍射級次，通過對光柵的周期、深度和占空比等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，并結(jié)合嚴格耦合波法計算各個衍射級次的效率，進而使某個方向的衍射光束具有最高的衍射效率，一方面可以實現(xiàn)光束的定向傳輸，另一方面可以提高成像質(zhì)量。

最常用的一維衍射光柵是矩形光柵和傾斜光柵。最早將矩形光柵用到近眼顯示設(shè)備的是諾基亞［41-42］。當光束從耦入?yún)^(qū)域進入到波導片后，在耦入與耦出區(qū)域的光柵周期相同的情況下，出射光會從耦出區(qū)域以與入射光相同的方向進入到人眼。在設(shè)計彩色AR近眼顯示設(shè)備時，不同波長的光束在波導片中傳輸時會存在光程差，這會導致嚴重的色差。為了解決這個問題，諾基亞設(shè)計了一種雙層堆疊矩形光柵波導。其原理是根據(jù)不同的波長設(shè)計光柵的結(jié)構(gòu)周期，綜合考慮不同顏色之間的串擾程度以及加工難度后，他們在結(jié)構(gòu)中設(shè)置雙層波導片，其中一層為紅光傳輸?shù)牟▽?，另一層為藍光和綠光傳輸?shù)牟▽?。為了降低顏色之間的串擾，在耦入?yún)^(qū)域設(shè)置一個高通濾波器，在耦出區(qū)域設(shè)置一個低通濾波器，從而使不同波長的光選擇性地通過耦合區(qū)域。雙層波導片相比于單層波導片在視場角上有了很大的提升，獲得了25°的視場角，但這種光柵的排布方法只能實現(xiàn)水平方向的擴瞳，實際的動眼眶范圍并不夠大，適用的人群范圍較小。為了解決因光束在波導片傳輸過程中不斷泄露而導致光柵衍射效率分布不均勻的問題，研究人員將不同位置的光柵設(shè)計成不同高度，以提升成像質(zhì)量。雖然一維矩形光柵結(jié)構(gòu)較為簡單，但是其相關(guān)AR近眼顯示設(shè)備存在著衍射效率不均勻和動眼眶范圍較小等問題。閃耀光柵和傾斜光柵可以用來提升衍射光柵波導的性能，通過對比應用性能以及制備時對誤差的敏感程度可知［43-45］，傾斜光柵的應用范圍相對于閃耀光柵來說更加廣泛。

傾斜光柵的設(shè)計及制備工藝相對于矩形光柵具有更高的難度，但是傾斜光柵的設(shè)計過程具有更大的自由度，通過設(shè)計傾斜角度可以實現(xiàn)入射光波長帶寬與角度帶寬的調(diào)制。圖3（b）所示為Levola等制備的傾斜光柵的SEM圖［46］，為減弱不同顏色之間的串擾并且降低加工難度，可以將傾斜光柵設(shè)計成圖3（c）下方所示的結(jié)構(gòu)［42，46-47］，即將光柵分成左右兩個部分，并在中間涂覆吸光材料。這種結(jié)構(gòu)可以使不同波長的光束在各自的波導片中傳播，但還是會有少量光束進入到其他波導片，為此可以將波導片設(shè)計成人字形，如圖3（d）所示，以解決成像質(zhì)量不高的問題。圖3（e）所示為人字形波導片的實際產(chǎn)品示意圖［48］。

圖3 表面浮雕光柵波導示意圖Fig.3 Schematic diagram of surface relief grating waveguides

動眼眶范圍是衡量AR近眼顯示設(shè)備性能的標準之一。圖3（f）所示為一維光柵擴展出瞳原理圖［41］，該結(jié)構(gòu)具有耦入、轉(zhuǎn)折和耦出區(qū)域，耦入?yún)^(qū)域設(shè)計成矩形光柵，轉(zhuǎn)折區(qū)域和耦出區(qū)域設(shè)計成傾斜光柵。入射光束通過耦入?yún)^(qū)域進入波導片，在轉(zhuǎn)折區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)并完成一個方向上的擴展，在耦出區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光束的耦出和另一個方向上的擴展，代表產(chǎn)品為Hololens。

在上文矩形光柵的介紹中，為保證出射光與入射光方向相同，耦入與耦出區(qū)域的光柵周期也應一致，轉(zhuǎn)折區(qū)域的光柵周期d為：

其中θ為光束在入射方向相對于耦入光柵的偏轉(zhuǎn)角。與矩形光柵類似，為了保證最終耦出時光束分布均勻，不同位置的光柵設(shè)計深度不同。

3.1.2 二維衍射光柵

為了在提升衍射效率的同時更好地擴大出瞳范圍，二維光柵方案［49］被提出并且獲得了很好的效果?；诒砻娓〉窆鈻挪▽У姆桨冈韴D如圖3（g）所示，該結(jié)構(gòu)中耦入?yún)^(qū)域為經(jīng)典的一維光柵結(jié)構(gòu)，圖3（h）所示為耦出區(qū)域二維光柵結(jié)構(gòu)的SEM圖。光束從耦入?yún)^(qū)域進入波導，并在波導片內(nèi)以全反射方式傳播到耦出區(qū)域，憑借這種結(jié)構(gòu)可以同時實現(xiàn)光束的耦出和多個方向的擴展。二維光柵波導生產(chǎn)的代表公司為WaveO?ptics，圖3（i）為WaveOptics制造的型號為28°KATANA的衍射光波導產(chǎn)品。圖3（j）是二維光柵波導的K域圖，內(nèi)圈代表波導片中的全反射條件，外圈代表波導片材料可以達到的最大K值。耦入光柵將光束的K值平移到環(huán)形區(qū)域，使光束滿足在波導片內(nèi)全反射傳播的條件；耦出光柵將部分光束的K值從環(huán)形區(qū)域平移到內(nèi)圈區(qū)域，使光束耦出到人眼。

3.1.3 成像質(zhì)量的提高

成像均勻性是成像質(zhì)量的重要指標之一。Dispelix公司采用獨特的結(jié)構(gòu)，提高了視場角和動眼框范圍內(nèi)的成像均勻性，其產(chǎn)品名為DPX 30°，示意圖如圖3（k）所示。此外，色差也是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。當前的消色差方案中大都設(shè)計多個波導片，分別傳輸不同波長范圍的光束，從而獲得消除色差的效果，如圖3（l）所示。例如微軟公司提出將多個波導組件背對背折疊的方案，每個波導片分別傳輸一定波長范圍內(nèi)的RGB光束，從而在一定范圍內(nèi)降低色差的影響，并且在線偏振光入射的時候可以獲得最高的衍射效率［50］。目前，大多光波導結(jié)構(gòu)的角度選擇性與波長選擇性較小，同時類似于上述方案的結(jié)構(gòu)存在一定的偏振選擇性。如何減小體積，僅采用單層波導片既能解決多波長光束入射情況下的色差問題，又能獲得較大的視場角以滿足用戶需求仍是當前急需突破的技術(shù)瓶頸。

3.2 體全息光柵波導

體全息光柵波導方案采用體全息光柵（Vol?ume Holographic Grating，VHG）作為衍射光波導中的耦入耦出元件。通過雙光束全息曝光技術(shù)在介質(zhì)中形成干涉條紋，從而可以獲得折射率周期性變化的光柵結(jié)構(gòu)。當介質(zhì)的厚度遠大于光波長時這種結(jié)構(gòu)稱為體全息光柵，在不同的應用場合，體全息光柵可以分為單層、多層、振幅型、位相型以及透射式與反射式等。體全息光柵相對于表面浮雕光柵具有更高的衍射效率，但是它對入射光的波長與衍射角要求更高。它與表面浮雕光柵一樣可以使用嚴格耦合波法計算不同結(jié)構(gòu)的光柵對應的各級衍射效率，同時通過調(diào)節(jié)并優(yōu)化光柵的周期等參數(shù)可以改變衍射效率，進而提高光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。理論上在滿足布拉格條件的情況下，體全息光柵的衍射效率可以達到100%，因此體全息光柵在理論上具有更好的成像效果。

圖4 體全息光柵波導示意圖Fig.4 Schematic diagram of volume holographic gratings

美能達在2000年首次提出將全息光學元件用于衍射光波導中的方案［51-52］。圖4（a）所示為其產(chǎn)品的光學系統(tǒng)，光束以一定的角度進入波導片中并以全反射的方式傳輸，最后通過全息光學元件將光束耦出到人眼。這種最簡單的結(jié)構(gòu)為之后的設(shè)計提供了具體的思路，但是該方案動眼眶范圍較小，多波長光束入射情況下的色差問題也未解決，因此無法應用于實際中。之后Sony提出了衍射元件色差的解決方案，其光學系統(tǒng)如圖4（b）所示［32］。耦入與耦出結(jié)構(gòu)為對稱體全息光柵，通過將波導結(jié)構(gòu)分為兩層，不同波長的光束斜入射后進入不同波導片并實現(xiàn)分離傳輸，這種方法明顯地改善了色差對成像質(zhì)量的影響。Yeom等人也提出了一種可以用于校正像差的體全息光柵，并獲得了如圖4（c）所示的較為清晰的圖像［34］。此外，DigiLens公司提出并優(yōu)化了一種以可切換布拉格光柵（Switchable Bragg Grating，SBG）為主的衍射光波導方案?？汕袚Q布拉格光柵是一種可以改變折射率的光柵，區(qū)別于普通體全息光柵，它是由平行玻璃板作為電極，中間夾有光聚合物和液晶材料的結(jié)構(gòu)。在將光柵記錄進光學系統(tǒng)時中間部分會被液晶微滴填充，同時通過在極板間施加電壓可以改變液晶微滴的方向，從而實現(xiàn)衍射效率與折射率的調(diào)制，因此在保證衍射效率的同時為設(shè)計加工提供了更大的自由度。為了使可切換布拉格光柵波導在實際應用中得到推廣，圖4（d）展示了DigiLens公司研制出的可切換布拉格光柵波導方案中液晶的局部排列［53］。該結(jié)構(gòu)同時采用3個波導片傳輸不同波長的光束并在布拉格條件下以確定的角度傳輸光束，最終實現(xiàn)了彩色成像，這項技術(shù)在駕駛過程中可以幫助駕駛員獲得更多的路況信息。DigiLens采用可切換布拉格光柵陣列結(jié)構(gòu)［54］，設(shè)計優(yōu)化每個可切換布拉格光柵的參數(shù)，使光柵在特定范圍內(nèi)調(diào)整光束，同時結(jié)合激光器的優(yōu)點后可以獲得較高的分辨率，通過優(yōu)化使得激光的掃描周期與每個光柵衍射狀態(tài)的持續(xù)時間一致，最終實現(xiàn)大視場條件下的高分辨率成像。這種結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕且分辨率高，可以實現(xiàn)從紫外波段到紅外波段的光譜成像，應用于激光雷達裝置中可以對3D地圖進行重建。Facebook同樣采用可切換布拉格光柵選擇性地從波導片中耦出光束，同時波導片中紅外光源發(fā)出的光線被人眼反射回波導片后可以借此確定眼睛的位置和方向，這為AR近眼顯示設(shè)備提供了更高的靈活性［55］。

衍射光波導的設(shè)計與制造過程都比幾何光波導困難，但是體積小、靈活度高是它具有較大發(fā)展?jié)摿Φ闹匾蛩亍Ｋ脑O(shè)計依賴于較復雜的嚴格耦合波理論，制造依賴于當前仍在發(fā)展的微納制造工藝，由于其結(jié)構(gòu)尺度屬于微納范疇，所以設(shè)計與制造時的微小偏差都會導致成像質(zhì)量的下降，此外當前已經(jīng)被設(shè)計并制造出的產(chǎn)品均不能兼具大視場角與高圖像質(zhì)量，衍射光波導技術(shù)還需獲得進一步的突破。

雖然表面浮雕光柵波導與體全息光柵波導的設(shè)計原理類似，但是體全息光柵波導的量產(chǎn)與視場角等問題嚴重限制了它的應用范圍，因此當前表面浮雕光柵波導更具優(yōu)勢。此外，幾何光波導和衍射光波導雖然在原理上大相徑庭，但是在擴展出瞳、增大動眼眶范圍的設(shè)計思路上如出一轍，將兩者的優(yōu)勢相結(jié)合可以得到較為可觀的效果。Lumus將幾何光波導與衍射光波導相結(jié)合，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置了2個衍射光波導與1個幾何光波導［56］，每個光波導單獨實現(xiàn)一個方向的擴展，同時衍射光波導起到了減弱色散影響的作用，最終提高了成像質(zhì)量。微軟提出了雙面衍射光柵的方案［57］，并證明雙面衍射光柵相對于單面衍射光柵具有更高的衍射效率，進而將表面浮雕光柵波導與體全息光柵波導相結(jié)合形成混合SRG-VBG光柵，使用體全息布拉格光柵（Volume Bragg Gratings，VBG）可以有效調(diào)整衍射角度帶寬，相對于僅采用表面浮雕光柵波導方案，VBG提高了視場極端處的衍射效率，從而增強了成像均勻性。此外，基于共振波導光柵耦合器、超表面光柵耦合器等光學元件的光波導方案在技術(shù)和加工方面仍有一定困難，還有很大的發(fā)展空間，因此本文并未進行詳細介紹。

4 光波導的制造

4.1 幾何光波導的制造

幾何光波導主要分為鋸齒光波導和陣列光波導。鋸齒光波導的制備材料有很多，例如NBK7玻璃、N-F2玻璃、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等。Zhang等人基于金剛石車削技術(shù)，同時綜合考慮折射率、成本以及耐用度等問題后，選擇用Zeonex E48R環(huán)狀聚合物作為波導片材料進行設(shè)計并加工了一種鋸齒光波導，如圖5（a）所示［35］。

該鋸齒光波導結(jié)構(gòu)被分為上下兩個部分，上面結(jié)構(gòu)為補償部分，下面結(jié)構(gòu)為提取部分。其中S30為反射面，S60為連接面，β30是反射面S30與水平面之間的角度，β60是連接面S60與水平面之間的角度。為了保證光束可以無偏差地通過提取部分，提取部分和補償部分材料的折射率應該是相同的，并且用于將上下兩面粘合的紫外光刻膠黏劑的折射率也應該與上下兩部分的材料相匹配。

該方案中鋸齒光波導的提取部分和補償部分的加工流程基本一致，主要分為4步，分別是預切割、切割、鍍膜和二次切割，其提取部分的加工流程如圖5（b）所示。首先要準備一個基底，然后利用金剛石車削出直槽刻面，使它具有足夠的平滑度和較小的陰影區(qū)域。第二步是對反射表面S30進行切割，并控制其傾斜角度為其設(shè)計角度，對連接表面S60進行進一步的預切割處理，即在控制傾斜角度時使它偏離設(shè)計傾角?3°～?2°?？刂破x角度是為了使連接表面S60具有足夠的孔徑開口率，否則很可能在反射表面S30上產(chǎn)生陰影，并在鍍膜期間遮擋涂層材料。為了使光線可以從波導片內(nèi)耦出，需要在S30表面鍍膜，因此第三步是對整個表面鍍膜。為了保證反射表面S30上薄膜的均勻性，在利用電子束沉積或其他薄膜制備方式時，沉積方向應為S30表面的法線方向。最后一步為對連接表面S60進行二次切割，在去除光學涂料的同時，使它獲得設(shè)計的傾斜角度和精加工表面。補償部分的加工流程等同于上述提取部分的加工流程。

加工完提取部分和補償部分后需要用紫外光固化膠將上下兩部分粘合。為了獲得較好的粘合效果，在設(shè)計和制備時上下兩部分要很好地匹配，并且在粘合時可以使用光學測角儀來精確調(diào)控角度。圖5（c）所示為鋸齒光波導的實物圖，圖中光波導的厚度為4.5 mm。

圖2 （d）所示為Lumus陣列光波導產(chǎn)品。如圖5（d）所示，陣列光波導的加工流程主要是研磨、拋光、鍍膜和膠合。首先通過切割玻璃基材獲得各種規(guī)格的波導小棱鏡，然后對小棱鏡進行粗磨、精磨與拋光，之后在小棱鏡上分別鍍不同膜系的薄膜獲得不同的反射/透射比，最后對小棱鏡進行膠合將它固定為表面光滑的波導片，并通過測角儀、干涉儀等儀器對波導片進行檢測。

圖5 鋸齒光波導加工工藝示意圖Fig.5 Schematic diagram of sawtooth optical waveguide processing technology

4.2 表面浮雕光柵波導的制造

如前文所述，表面浮雕光柵可分為一維光柵和二維光柵，進一步可分為矩形光柵、閃耀光柵、傾斜光柵和梯形光柵等。由于AR光波導主要用于可見光波段，同時光波導結(jié)構(gòu)的特征尺寸一般在數(shù)百納米，甚至幾十納米，其成像質(zhì)量對加工誤差很敏感，所以對微納加工技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。MilIer等人首先嘗試用聚焦離子束刻蝕（Focused Ion Beam Etching，F(xiàn)IBE）法加工傾斜光柵［58-59］，隨后他們又嘗試用離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）和反應離子束刻蝕（Reactive Ion Beam Etching，RIBE）的方法加工傾斜光柵［60］。目前，衍射光波導的制備基本都是采用半導體制備工藝（如光刻、刻蝕工藝）完成的，但是這些工藝方法流程復雜、生產(chǎn)成本高，不適合用于大批量生產(chǎn)。

4.2.1 小批量表面浮雕光柵波導的制造

圖6 （a）所示為表面浮雕光柵模板的制備和小批量制備工藝流程圖與掃描電鏡圖［61-62］。矩形光柵的制備工藝較為成熟，如圖6（a）所示，首先在基底上旋涂抗蝕劑層，通過干涉曝光或電子束曝光等方法實現(xiàn)光柵的圖案化，之后利用反應離子刻蝕（Reaction Ion Etching，RIE）或電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蝕將圖案轉(zhuǎn)移到基底，并將抗蝕劑層去除，完成矩形光柵的制備。但是，斜光柵光波導在進行刻蝕時需要將樣品傾斜，傾斜后樣品不同位置與源的距離不同，反應離子刻蝕、電感耦合等離子體刻蝕的化學刻蝕尺寸均勻性得不到保證［63］，需要采用準直性和均勻性更好的離子束進行刻蝕。因此，制備流程變得更為復雜，需要采用聚焦離子束刻蝕（Focused Ion Beam Etching，F(xiàn)IBE）、離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）、反應離子束刻蝕（Reactive Ion Beam Etching，RIBE）等技術(shù)進行制備。綜合考慮制備效率和均勻性等因素，反應離子束刻蝕是其中較合適的方案，其制備流程如圖6所示。首先在基底上通過物理或化學方法鍍一層硬掩模（如Cr層），鍍膜的方式可以選擇磁控濺射，電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)等工藝方法。第二步在硬掩模上旋涂一層抗蝕劑層。隨后同樣利用干涉曝光或電子束曝光技術(shù)對圖案進行曝光，之后采用干法刻蝕工藝將抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到Cr層。但在刻蝕工藝后會有剩余的抗蝕劑留在結(jié)構(gòu)表面，因此需要用氧等離子體法剝離剩余的抗蝕劑。接下來利用已加工好的帶有硬質(zhì)掩模的結(jié)構(gòu)，使用基于氟基的反應離子束刻蝕工藝，用電離的氬離子束以傾斜的角度入射基底進行斜光柵的制備。在反應離子束刻蝕之后通過標準的濕法刻蝕工藝去除Cr掩模，最終獲得出色均勻性優(yōu)良的傾斜光柵。

4.2.2 大批量表面浮雕光柵波導的制造

上述基于半導體工藝的制備方法成本較高，不適合光柵波導的量產(chǎn)，因此開發(fā)出衍射光波導的復制工藝以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。而這種大規(guī)模的制造工藝依賴于高折射率的光學樹脂，目前Magic Leap和WaveOptics已經(jīng)進行相關(guān)工藝的驗證。復制工藝包括熱壓法、紫外線納米壓印光刻法和微接觸壓印法（亦稱為軟光刻）。其中，紫外線納米壓印光刻是表面浮雕光柵波導批量生產(chǎn)的常用方法。

具體工藝流程如圖6（b）所示，該工藝可分為兩個階段，即納米壓印工作模具制備階段和批量生產(chǎn)階段。首先，通過上述模板制備工藝將圖案加工到硅晶圓上，為了降低成本以及保證硅晶圓上模板的使用壽命，這里選擇將硅晶圓上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）基底上，作為后續(xù)壓印的母模板。第一步在硅晶片上旋涂轉(zhuǎn)印膠，隨后利用機械力將制備好的硅晶圓模板壓印到轉(zhuǎn)印膠上，并利用紫外線對壓印的結(jié)構(gòu)進行曝光以固定壓印膠，從而實現(xiàn)批量生產(chǎn)的第一步，即母模板的制備［64］。下一步將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到相應的玻璃基底上，首先在基底上旋涂一層光刻膠，然后重復上述母模板的制備方法，將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到樹脂上，從而得到最終的結(jié)構(gòu)。在批量生產(chǎn)過程中，使用多圖案的模具來生產(chǎn)表面浮雕光柵波導，然后使用功能性涂層覆蓋波導，并用激光切割技術(shù)進行分離，最后將不同結(jié)構(gòu)的波導堆疊完成光學模組的制備。

圖6 表面浮雕光柵加工工藝示意圖Fig.6 Schematic diagram of surface relief grating processing technology

由于納米壓印技術(shù)最終獲得的圖案分辨率只與模板的分辨率有關(guān)，因此避免了光刻過程中曝光波長、物鏡數(shù)值孔徑、光刻膠的光反射與散射以及顯影劑等的影響，在理論上可以突破光學光刻的最短曝光波長的物理極限。另一方面，由于其特殊的壓印過程，納米壓印不需要其他光刻技術(shù)所需的昂貴的光學系統(tǒng)和鏡頭，這就為大面積微納圖形結(jié)構(gòu)的大批量制備提供了可能性。

4.3 體全息光柵波導的制造

體全息光柵波導的主要制備工藝是干涉曝光。通過使用激光激發(fā)的干涉圖案附著在基底上的光敏折射材料，材料特性隨著光強度分布的不同而變化，最后獲得折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)。也可以利用飛秒激光脈沖對非光敏玻璃進行加工從而得到體全息光柵［65］，但這種方法并不常用。體全息光柵波導的制備材料主要有鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料［66］。體全息圖的記錄過程大都相似，但是一般的曝光僅適用于小批量驗證，而對于大批量生產(chǎn)則需要開發(fā)更經(jīng)濟的方案。以Sony和DigiLens為代表的公司開發(fā)了相關(guān)體全息光柵波導的加工工藝路線。

圖7 （a）為體全息光柵波導的結(jié)構(gòu)圖［67］，耦入和耦出區(qū)域的光學全息元件具有相同的周期結(jié)構(gòu)。為了降低對準難度并且減弱顏色之間的串擾，將紅光和藍光傳播的波導片設(shè)計成一層，將綠光傳播的波導片設(shè)計成一層。圖7（b）展示了Sony公司制備的體全息光柵波導的卷對卷工藝［67］。首先，使用雙束干涉曝光法在附著于卷膠上的光敏聚合物膜內(nèi)形成體全息圖案，圖7（c）所示為卷對卷的曝光流程示意圖［67］；第二步，通過注射成型法形成高質(zhì)量的環(huán)烯烴聚合物塑料波導。為了獲得合格的圖像，對波導的翹曲和厚度變化有嚴格的規(guī)定，對圖形畸變最小時的光線進行追跡計算，得知波導的翹曲必須小于5μm，并且有效區(qū)域的厚度變化應小于1μm。之后進行全息光學元件的轉(zhuǎn)移工藝，即將全息波導膜準確地與塑料波導對準粘貼；隨后將塑料全息波導進行切割；最后在配色過程中，將紅、藍塑料波導片與綠色塑料波導片對準并用UV樹脂封裝固定。塑料基底在加工前后都應保持平坦，這是沖壓和配色過程中面臨的挑戰(zhàn)。圖7（b）右側(cè)的圖片展示了帶有綠色、紅色、藍色以及全色塑料體全息光柵波導的圖片（彩圖見期刊電子版）。

圖7 體全息光柵波導制備工藝流程Fig.7 Process flow chart for volume holographic grating waveguide preparation

雖然卷對卷體全息光柵波導制備流程的生產(chǎn)成本已經(jīng)大大降低，但為了進一步提高生產(chǎn)效率，DigiLens公司開發(fā)了一種新的體全息光柵波導印刷工藝。其工藝主要分成兩個部分，分別是母模板的制作和波導的印刷。超高折射率全息光聚合物是這項工藝的一個核心，其主要成分為光聚合物和液晶［68］。通過設(shè)計不同的體全息光柵波導可以獲得不同的模板，然后將圖案進行印刷，從而得到不同結(jié)構(gòu)的體全息光柵波導。這種印刷技術(shù)的最大優(yōu)點在于靈活性高，可以實現(xiàn)類似于數(shù)字化的模板信息編輯，這種方法適合于制作接觸式復印和大幅面的模板。為了將全息圖記錄到反應性單體液晶混合材料上，首先通過調(diào)整計算機生成的衍射元件來設(shè)計圖案，然后在高光強區(qū)域引發(fā)光聚合，形成聚合鏈，單體會擴散到這些明亮的區(qū)域并與聚合物鏈相互連接。液晶通過與單體的混合而擴散到強度較低的區(qū)域，使液晶飽和并沉淀出尺寸隨著擴散過程的進行而增長的液滴。最后，當各個部分轉(zhuǎn)移到預定位置時，用均勻的激光照射聚合物分散的液晶，使其完全包圍液晶微滴，最終形成固體全息層。這種工藝可以應用于具有高透明度和極低霧度的波導中，并根據(jù)所需的衍射效率和帶寬進行組合設(shè)計，以實現(xiàn)相應光學功能的集成［69］。

5 總結(jié)和展望

近年來，伴隨著AR技術(shù)浪潮，不少企業(yè)投身AR近眼顯示設(shè)備的開發(fā)中，而光波導憑借優(yōu)良的特性日趨成為AR近眼顯示設(shè)備中調(diào)制光束的主流方式，本文簡單地介紹了AR近眼顯示設(shè)備的發(fā)展過程，并詳細介紹了幾何光波導、表面浮雕光柵波導與體全息光柵波導的基本原理、各自的特點和常用的制備工藝，并且展示了目前為止知名公司推出的各類AR近眼顯示產(chǎn)品，體現(xiàn)出AR近眼顯示技術(shù)不斷進步的趨勢。

每種光波導方案都有自己的優(yōu)勢和劣勢，但是在耦入耦出時均存在很大的能量損失，如何完善并解決這個問題是提升AR近眼顯示技術(shù)的關(guān)鍵。在對不同光波導產(chǎn)品公司的相關(guān)產(chǎn)品進行調(diào)研后，得到不同光波導方案之間的對比，如表1所示。當前幾何光波導應用范圍較廣，并且成效極佳，但是制造工藝復雜，很難滿足理想條件，并且產(chǎn)出率相對較低；衍射光波導作為非傳統(tǒng)光學元件，相對于幾何光波導在設(shè)計和制備方面具有更高的自由度，但是存在視場角較低與色散等問題，同時設(shè)計過程較為困難，需要對結(jié)構(gòu)進行不斷優(yōu)化才能獲得更高的衍射效率和更好的成像質(zhì)量。此外，由于衍射光柵的尺度在微米級和納米級，材料選擇與加工量產(chǎn)等因素決定了衍射光波導能否在日常生活和商業(yè)應用中普及，解決這些問題，并實現(xiàn)較大的突破仍是AR顯示技術(shù)發(fā)展的主要目標。

目前的AR近眼顯示產(chǎn)品大多基于幾何光波導技術(shù)，幾何光波導的制備流程較為復雜，嚴格的鍍膜工藝會影響其大規(guī)模量產(chǎn)。而隨著納米壓印等微納加工技術(shù)的不斷進步，衍射光波導在未來會成為主流的光波導方案之一。

表1 不同光波導方案對比Tab.1 Comparison of different optical waveguide schemes