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编者按
2018年，一部口碑炸裂的电影《头号玩家》上映，国内累计票房达到13.85亿。而电影中的虚拟世界“绿洲”俨然已成为与现实世界平起平坐的另一个世界，在给观众视觉震撼的同时，也为观众们带来了一次混合现实（MR）技术的科普和未来的遐想。
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1、MR设备光学系统的分类
随着主流AR设备微软HoloLens2、Magic Leap One等对光波导技术的采用和设备量产，同时AR光学模组厂商DigiLens、耐德佳、灵犀微光等近期融资消息的频繁披露，导致光波导的讨论热度也持续增加了不少。光波导，因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，但又因其高价格和高技术门槛让人望而却步。
AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。
这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产品举例：
图1.
AR光学显示系统分类和产品举例图
目前还没有出现完美的光学方案，市场上百家争鸣、百花齐放，这需要AR眼镜的产品设计者依据应用场景、产品定位等来做权衡取舍。
我们认为，光波导方案从光学效果、外观形态和量产前景来说，都具备最好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选
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2、光波导工作原理
随着微软HoloLens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产，关于光波导的讨论热度也在持续增加。
在MR/AR眼镜中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件：(1)传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1> n2); (2)光进入波导的入射角需要大于临界角θc.
光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。
光波导的这种特性，对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。因为有了波导这个传输渠道，可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面，这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而改善了设备的佩戴体验。
2.1 光波导的优点
增大动眼框范围从而适应更多人群，改善机械容差，推动消费级产品实现 – 通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框。
成像系统旁置，不阻挡视线并且改善配重分布，波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。
外观形态更像传统眼镜，利于设计迭代，波导形态一般是平整轻薄的玻璃片，其轮廓可以切割。
提供了“真”三维图像的可能性 – 多层波导片可以堆叠在一起，每层提供一个虚像距离。
2.2 光波导的不足
光学效率相对较低，光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失，并且大的动眼框使得单点输出亮度降低。
衍射波导: 衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕，非传统几何光学，设计门槛较高。
波导结构的基础是轻薄透明的玻璃基底(一般厚度在几毫米或亚毫米级别)，光通过在玻璃上下表面之间来回“全反射”前进。如果我们基于全反射的条件做一个计算，会发现只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了MR/AR眼镜最终的视场角(FOV)范围。
简而言之，越是大的视场角，就需要越高折射率的玻璃基底来实现。因此传统玻璃制造商比如康宁(Corning)和肖特(Schott)，近年来都在为近眼显示市场研制专门的高折射率并且轻薄的玻璃基底，还在努力不断增大晶元尺寸以降低波导生产的单位成本。
区别波导类型就主要在于光进出波导的耦合结构了。光波导总体上可以分为几何光波导（Geometric Waveguide）和衍射光波导（Diffractive Waveguide）两种。
几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus，目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。
衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating)， HoloLens2，Magic Leap One均属于前者，全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限制也比较大。
图4. 光波导的种类: (a) 几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图, (b) 衍射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图， (c) 衍射式光波导和全息体光栅的原理示意图。
由于几何波导传播的光通常是偏振的(来源于LCOS微型显示屏的工作原理)，导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层。另外，这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。每一步工艺的质量瑕疵都可能导致成像出现瑕疵，常见的有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。虽然随着目前生产工艺的逐步优化，镜面阵列已经几乎做到“不可见”，但在关掉光机的情况下仍然可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列)，可能会遮挡一部分外部视线，也影响了AR眼镜的美观。
所以，
AR
眼镜想要具备普通眼镜的外观，真正走向消费市场，衍射光波导，具体说表面浮雕光栅方案是目前的不二之选。
目前主流厂商诸如微软HoloLens一代和二代、Magic Leap One等多家明星产品，使用了衍射光波导结构，用消费级产品证明了衍射光波导结构的可量产性，Rokid最新发布的Rokid Vision AR眼镜也是采用双目衍射光波导的方案。
下一期，我们将介绍《漫谈混合现实（MR）之三——目前市场的不二之选：衍射光波导结构》
境腾科技 (Jingteng Tech)是一家专注于混合现实技术的企业，是微软官方认证混合现实全球技术合作伙伴服务提供商，基于混合现实的数字化呈现，交互及协同技术，为工业、建筑、设计、医疗等行业提供混合现实数字化解决方案。
