光柵波導

光柵波導（又稱全息波導、衍射波導）是一種光學透視型近眼顯示技術，主要套用於增強現實（AR）領域，該技術摒棄了自由曲面、離軸反射、稜鏡、陣列波導等傳統近眼顯示光學系統厚重的光學結構，通過光柵衍射和光波導原理對光束進行偏折、傳導和擴展，實現了超薄鏡片（小於2mm）和超大畫面（大於40度）的圖像近眼顯示，該技術在國內由北京梟龍科技有限公司率先提出並已實現批量製備。

基本介紹

• 中文名：光柵波導
• 外文名：Diffractive Waveguide
• 所屬學科：光學
• 套用領域：增強現實（AR）

定義

光柵波導是一種將物理光學與幾何光學相結合的新型光學透視型增強現實（AR）近眼顯示技術，這種技術將納米光柵結構製作到透明光學鏡片上，利用納米光柵結構對光的衍射作用實現光束的偏折，利用光束在透明光學鏡片中的光波導原理實現光束傳導和擴展。這種技術可以將圖像、視頻等虛擬信息舒適的呈現在眼前，同時使光學系統像普通眼鏡一樣輕薄輕便和透明。

原理

光柵波導技術的主要光學原理為：（1）光波導原理，透明光學鏡片具有兩個光學表面，當光束在鏡片內部傳導並滿足鏡片的全反射條件時，可以在光學表面發生全反射，鏡片兩個光學表面的全反射效應會使得光束被束縛在鏡片內部沿一定方向傳導。（2）光柵衍射原理，周期性的光柵結構能夠使不同波長的光在穿過它們時產生相應的規律性的傳播方向的改變。

光柵波導系統主要由微投影系統與光柵波導鏡片組成，微投影系統是圖像信息產生裝置，負責生成虛擬圖像信息並將其調製成準直光束。常見的光柵波導微投影系統主要有DLP、LCOS、Micro LED、MEMS等幾種類型。光柵波導鏡片是光柵波導系統的核心元件，它負責將微投影系統投射的虛擬圖像信息經過傳導、擴展之後舒適的呈現在人眼前，並保證人眼能透過鏡片正常觀察外界實景。

光柵波導原理

程式特點

與稜鏡、離軸光學、自由曲面、陣列波導等光學系統不同，光柵波導技術提供了一條全新的途徑以減小AR眼鏡的體積和重量，在保證良好的視場角和較大的出瞳直徑的同時使觀察者看到清晰的現實世界。

光柵波導技術可以使AR眼鏡鏡片像普通眼鏡鏡片一樣輕薄，使AR眼鏡像普通眼鏡一樣輕便美觀。由於採用了光波導原理和光柵衍射原理，光柵波導技術具有大視場角、大出瞳直徑、高透光性的優點，從而使AR眼鏡具有極佳的增強現實沉浸感和佩戴舒適性。

另外，光柵波導還具有量產成本低的優點，由於它可以採用快速複製工藝進行高質量快速批量生產，因此可以極大的降低AR眼鏡的成本，便於AR眼鏡在日常生活中普及。

技術路徑

按光柵類型的不同主要分為全息光柵波導（VHG）和表面浮雕光柵波導（SRG）兩種。全息光柵波導中的光柵為全息體光柵，主要採用干涉光刻的加工工藝進行製備；表面浮雕光柵波導中的光柵為表面浮雕光柵，主要採用納米壓印的加工工藝進行製備。

工藝

光柵波導加工工藝主要分為兩種：干涉光刻工藝和納米壓印工藝。

干涉光刻工藝是將光刻膠均勻塗覆到波導基片上，然後採用光刻機或雷射干涉平台對光刻膠曝光，使其成為全息體光柵，經過定影處理後便完成了光柵波導的加工。採用這種加工工藝的光柵波導稱為全息光柵波導。

納米壓印工藝是將壓印膠均勻塗覆到波導基片上，以表面製作有光柵結構的壓印模板為母版，採用納米壓印設備將壓印模板上的表面浮雕光柵結構複製到波導基片表面的壓印膠上，經過曝光、脫模等環節後，便完成了光柵波導的製備。採用這種加工工藝的光柵波導稱為表面浮雕光柵波導。

套用

光柵波導技術主要套用於AR眼鏡中，基於光柵波導技術的AR眼鏡具有鏡片輕薄、輕便的優點，可以同普通眼鏡一樣美觀、時尚，同時它可以呈現豐富多彩的高質量、大視場虛擬圖像，帶給我們極佳的增強現實沉浸體驗，因此可以成為像普通眼鏡一樣的可穿戴設備進入我們的日常生活，替代流行的電子通訊設備和日常顯示設備，在娛樂、社交等日常生活的多個方面帶來巨大的變革。基於光柵波導技術的AR眼鏡還可以在遠程通訊、人工智慧、CAD、圖形仿真、虛擬通訊、遙感、教育、模擬訓練、軍事等許多領域帶來革命性變化。

國際研發進展

微軟、Magic Leap等AR企業在該領域已發布相關產品並實現初步套用。

國內研發進展

國內在光柵波導領域研發投入較早，已形成一定的技術積累與研究成果。其中，北京梟龍科技有限公司在波導結構設計、模板製作、納米壓印等物理光學設計和微納製造工藝方面都已取得突破性進展。成功研發光柵波導顯示光學晶片，視場角達40°以上，厚度僅1.5mm，重量6g，視場角、eyebox、亮度等光學技術指標與顯示效果已達到國際領先水平，在國內率先實現該技術攻克與批量製備，打破國外技術壟斷。在光柵波導領域，梟龍科技已累計授權核心專利30餘項。作為牽頭單位承擔科技部“國家重點研發計畫”專項與“北京市重點研發計畫”專項，使我國在近眼顯示技術領域實現了新的突破。