光波導(dǎo)，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學(xué)方案，又因其價格高和技術(shù)門檻高讓人望而卻步。

那么，光波導(dǎo)的工作原理是怎樣的？市面上林林總總的陣列光波導(dǎo)、幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)、多層光波導(dǎo)又有什么不同？它又是如何一步步改變AR眼鏡市場格局的？我們更看好哪一種光波導(dǎo)技術(shù)，為什么？

接下來，就讓Rokid R-lab光學(xué)研究科學(xué)家、美國加州伯克利大學(xué)電子工程系博士李琨為你娓娓道來。

一、光波導(dǎo)，一個應(yīng)AR眼鏡需求而生的光學(xué)方案

增強現(xiàn)實(AR)與虛擬現(xiàn)實(VR)是近年來廣受關(guān)注的科技領(lǐng)域，它們的近眼顯示系統(tǒng)都是將顯示器上的像素， 通過一系列光學(xué)成像元件形成遠處的虛像并投射到人眼中。

不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統(tǒng)不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學(xué)組合器(optical combiner)，通過“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補充，互相“增強”。

圖 1. (a) 虛擬現(xiàn)實(VR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖; (b) 增強現(xiàn)實(AR)近眼顯示系統(tǒng)的示意圖。NED：近眼顯示(Near-eye display，簡稱NED)

AR設(shè)備的光學(xué)顯示系統(tǒng)通常由微型顯示屏和光學(xué)元件組成。概括來說，目前市場上的AR眼鏡采用的顯示系統(tǒng)就是各種微型顯示屏和棱鏡、自由曲面、BirdBath、光波導(dǎo)等光學(xué)元件的組合，其中光學(xué)組合器的不同，是區(qū)分AR顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

微型顯示屏，用來為設(shè)備提供顯示內(nèi)容。它可以是自發(fā)光的有源器件，比如發(fā)光二極管面板像micro-OLED和現(xiàn)在很熱門的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，還有基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的數(shù)字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和激光束掃描儀(LBS)。

這里做了一張簡單的AR光學(xué)顯示系統(tǒng)的分類和產(chǎn)品舉例：

很顯然，完美的光學(xué)方案還沒有出現(xiàn)，才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態(tài)，這需要AR眼鏡的產(chǎn)品設(shè)計者依據(jù)應(yīng)用場景、產(chǎn)品定位等來做權(quán)衡取舍。

我們認為，光波導(dǎo)方案從光學(xué)效果、外觀形態(tài)，和量產(chǎn)前景來說，都具備更好的發(fā)展?jié)摿?，可能會是讓AR眼鏡走向消費級的不二之選。

二、光波導(dǎo)是如何工作的

在上述光學(xué)成像元件中，光波導(dǎo)屏蔽材料技術(shù)是應(yīng)AR眼鏡需求而生的一個比較有特色的光學(xué)組件，因它的輕薄與外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學(xué)方案，而隨著微軟Hololens兩代產(chǎn)品以及Magic Leap One等設(shè)備對光波導(dǎo)的采用和量產(chǎn)，關(guān)于光波導(dǎo)的討論熱度也在持續(xù)增加。

其實，波導(dǎo)技術(shù)并不是什么新發(fā)明，我們熟悉的光通信系統(tǒng)中，用來傳輸信號的光纖組成了無數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導(dǎo)的一種，只不過傳輸?shù)氖俏覀兛床灰姷募t外波段的光。

在AR眼鏡中，要想光在傳輸?shù)倪^程中無損失無泄漏，“全反射”是關(guān)鍵，即光在波導(dǎo)中像只游蛇一樣通過來回反射前進而并不會透射出來。

簡單來說達到全反射需要滿足兩個條件：

(1) 傳輸介質(zhì)即波導(dǎo)材料需要具備比周圍介質(zhì)高的折射率(如圖2所示n1> n2);

(2) 光進入波導(dǎo)的入射角需要大于臨界角θc。