一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术光波导（完整篇）Rokid技术丛林

⼀⽂看懂主流AR眼镜的核⼼显⽰技术光波导（完整篇）Rokid技术丛林

Hi，这是「Rokid技术丛林」第⼀次和⼤家见⾯，今后它将成为我们（不）定期更新的栏⽬。

为什么叫技术丛林？丛林，是⼀种极富⽣态多样性的环境，充满了未知的挑战和机遇。

我们在AI和AR领域的技术探索，就像在丛林⾥前⾏，没有预知的⽅向，只有不停的尝试，才有可能趟出⼀条路来。

在这个过程中，我们总结的⼀些经验和思考，希望分享给⼤家，让所有⼈的智慧变成⽕种，最终照亮整个丛林。

「Rokid技术丛林」第⼀期，我们来讲⼀讲AR眼镜的核⼼显⽰技术——光波导。

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，⼜因其价格⾼和技术门槛⾼让

⼈望⽽却步。

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，以及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。

那么，光波导的⼯作原理是怎样的？市⾯上林林总总的阵列光波导、⼏何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波

导⼜有什么不同？它⼜是如何⼀步步改变AR眼镜市场格局的？我们更看好哪⼀种光波导技术，为什么？

接下来，就让Rokid R-lab光学研究科学家、美国加州伯克利⼤学电⼦⼯程系博⼠李琨为你娓娓道来。

⼀ 光波导，⼀个应AR眼镜需求⽽⽣的光学⽅案

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来⼴受关注的科技领域，它们的近眼显⽰系统都是将显⽰器上的像素， 通过⼀系

列光学成像元件形成远处的虚像并投射到⼈眼中。

不同之处在于，AR眼镜需要透视(e-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡

在视线前⽅。这就需要多加⼀个或⼀组光学组合器(optical combiner)，通过“层叠”的形式， 将虚拟信息和真实场景融为

⼀体，互相补充，互相“增强”。

图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼显⽰系统的⽰意图; (b) 增强现实(AR)近眼显⽰系统的⽰意图。

NED：近眼显⽰(Near-eye display，简称NED)

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。

微型显⽰屏，⽤来为设备提供显⽰内容。它可以是⾃发光的有源器件，⽐如发光⼆极管⾯板像micro-OLED和现在很热

门的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显⽰屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，还有基于微机电系统

(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核⼼)和激光束扫描仪(LBS)。

这⾥做了⼀张简单的AR光学显⽰系统的分类和产品举例：

因为本⽂主要阐述光波导的⼯作原理和特点，对其它光学⽅案不做详细介绍，关于⼏种⽅案的区别，之前也有较多⽂章

进⾏了阐述。

很显然，完美的光学⽅案还没有出现，才有⽬前市场上百家争鸣、百花齐放的状态，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。

⼆ 光波导是如何⼯作的

在上述光学成像元件中，光波导技术是应AR眼镜需求⽽⽣的⼀个⽐较有特⾊的光学组件，因它的轻薄与外界光线的⾼

穿透特性⽽被认为是消费级AR眼镜的必选光学⽅案，⽽随着微软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。

其实，波导技术并不是什么新发明，我们熟悉的光通信系统中，⽤来传输信号的光纤组成了⽆数条连接⼤洋彼岸的海底

光缆，就是波导的⼀种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。

在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.

图 2. 全反射原理⽰意图

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。

这⾥将波导技术的主要优点和不⾜罗列如下，希望读者阅读完本⽂后会对背后的缘由更加了解。

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。

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。

• ⼏何波导: 繁冗的制造⼯艺流程导致总体良率较低。

• 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。

图 3. 基于波导的AR眼镜外观原理⽰意图

三 光波导的不同分类

如⽂章第⼆部分所提，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。

有了⾼折射率玻璃基底，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)， HoloLens 2，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。

这⾥还要区别⼀下真正的“全息技术”，其实这⼀直是个误区，全息光栅只是因为利⽤了类似于全息照相的原理来制造

的，即⽤两束激光形成⼲涉条纹来调制光栅材料的特性以形成“折射率周期”，光栅本⾝并不能够全息成像。

四 ⼏何光波导的⼯作原理及优缺点

“⼏何光波导”的概念最先由以⾊列公司Lumus提出并⼀直致⼒于优化迭代，⾄今差不多快⼆⼗年了。

按图4(a)所⽰，耦合光进⼊波导的⼀般是⼀个反射⾯或者棱镜。在多轮全反射后光到达眼镜前⽅时，会遇到⼀个“半透半

反”镜⾯阵列，这就是耦合光出波导的结构了，也就是⼏何光波导⾥的“光组合器”。

“半透半反”(确切说是“部分透部分反”)的镜⾯是嵌⼊到玻璃基底⾥⾯并且与传输光线形成⼀个特定⾓度的表⾯，每⼀个镜

⾯会将部分光线反射出波导进⼊⼈眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进。然后这部分前进的光⼜遇到另⼀个“半

透半反”镜⾯，从⽽重复上⾯的“反射-透射”过程，直到镜⾯阵列⾥的最后⼀个镜⾯将剩下的全部光反射出波导进⼊⼈眼。

在传统光学成像系统中，图像通常只有⼀个“出⼝”，叫做出瞳。这⾥的“半透半反”镜⾯阵列相当于将出瞳沿⽔平⽅向复制

了多份，每⼀个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像，这就是⼀维扩瞳技术(1D EPE)。

详细说明，假设进⼊波导“⼊瞳”的是直径4毫⽶的光束，由于波导只负责传输⽽并不把图像放⼤缩⼩等，那么“出瞳”的也

是4毫⽶的光束，在这种情况下⼈眼的瞳孔中⼼只能在这4毫⽶的范围内移动并且仍能看到图像。

这样的问题是，不同性别和年龄的⼈双眼瞳孔间距可能从51毫⽶到77毫⽶不等，如果近眼显⽰系统的光学中⼼依据瞳距

的平均值(63.5毫⽶)位置来设计，这就意味着有很⼤⼀部分⼈戴上这个眼镜看不到清晰的图像或完全接收不到图像。

有了这个扩瞳技术，动眼框范围通常能从最初的4毫⽶左右扩⼤到10毫⽶以上。你可能会产⽣疑问，多个出瞳，这样眼

睛不会看到重影么？放⼼吧，出瞳⾯只是图像的“傅⾥叶⾯”，⼈眼瞳孔会从这个⾯截取完整的图像信息并⽤⾃带的“透

镜”晶状体会将出瞳⾯透射到真正的“像⾯”（视⽹膜）上，因⽽同⼀⾓度的光还是会汇聚到同⼀个像素（视觉细胞），不

会出现重影。

可能有点难理解，但这是扩瞳技术可⾏的精髓。动眼框的扩⼤解决了产品设计中的很多问题，例如机械设计容差、产品

规格数⽬(需不需要分男版和⼥版)、⽤户交互体验等，将AR眼镜向消费级产品的实现⼤⼤推动了⼀步。

但是天下没有免费的晚餐，复制出瞳导致总的出光⾯积增⼤，⾃然⽽然在每⼀个出瞳的位置看到的通光量就减⼩了，这

也是引起波导技术光效率⽐传统光学系统偏低的原因之⼀。

⼏何光波导运⽤传统⼏何光学设计理念、仿真软件和制造流程，没有牵扯到任何微纳⽶级结构。因此图像质量包括颜⾊

和对⽐度可以达到很⾼的⽔准。

但是，⼯艺流程⽐较繁冗，其中⼀步是“半透半反”镜⾯阵列的镀膜⼯艺。由于光在传播过程中会越来越少，那么阵列中

这五六个镜⾯的每⼀个都需要不同的反射透射⽐(R/T)，以保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的。

并且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。

因此，即使每⼀步⼯艺都可以达到⾼良率，这⼏⼗步结合起来的总良率却是⼀个挑战。每⼀步⼯艺的失败都可能导致成

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。

另外，虽然随着⼯艺的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。

接下来，我们重点分析下光波导的另⼀个类群 – 衍射光波导 (Diffractive Waveguide)， 我们将着重讲解衍射光波导的⼯

作原理，与⼏何光波导相⽐的优缺点，以及衍射光波导使⽤的两种主流光栅 – “表⾯浮雕光栅(SRG)”和”全息体光栅

(VHG)”。

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

前诸如微软HoloLens⼀代和⼆代、Magic Leap One等多家明星产品，使⽤并⽤消费级产品证明了衍射光波导的可量产

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。

制造衍射光波导所需要精度和速度都可靠的电⼦束曝光和纳⽶压印的仪器都价格不菲，并且需要放置在专业的超净间

⾥，有条件建⽴该产线的⼚商屈指可数。

下⾯，就让我们通过后半部分的内容，了解下对于AR眼镜⽽⾔，神秘⼜重要的衍射光波导技术。

五 衍射光波导的核⼼ – 衍射光栅

要想光机产⽣的虚像被光波导传递到⼈眼，需要有⼀个光耦合⼊(couple-in)和耦合出(couple-out)波导的过程，在⼏何光

波导⾥这两个过程都是由传统光学元器件⽐如棱镜、“半透半反”镜⾯阵列完成的，过程简单易懂，但是具有体积和量产

⼯艺上的挑战。在衍射光波导⾥，传统的光学结构被平⾯的衍射光栅(Diffractive Grating)取代，它的产⽣和流⾏得益于

光学元件从毫⽶级别到微纳⽶级别，从“⽴体”转向“平⾯”的技术进步趋势。

那么衍射光栅是什么呢？简单来说，它是⼀个具有周期结构的光学元件，这个周期可以是材料表⾯浮雕出来的⾼峰和低

⾕ (图4b)，也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗⼲涉条纹”(图4c)，但归根结底都是在材料中引起了⼀个折射

率n (refractive index)的周期性变化。

这个周期⼀般是微纳⽶级别的，与可见光波长(~450-700nm)⼀个量级，才能对光线产⽣有效的操控。

衍射光栅的“分光”体现在两个维度，如图5中所⽰，假设⼊射光是单⼀波长的绿光，它会被衍射光栅分成若⼲个衍射级

(diffraction order)，每⼀个衍射级沿着不同的⽅向继续传播下去，包括反射式衍射(R0, R±1, R±2,…)和透射式衍射(T0,

T±1, T±2,…)的光线，每⼀个衍射级对应的衍射⾓度(θm， m=±1, ±2, …)由光线的⼊射⾓(θ)和光栅的周期(Λ)决定，通过

设计光栅的其他参数(材料折射率n、光栅形状、厚度、占空⽐等)可以将某⼀衍射级(即某⼀⽅向)的衍射效率优化到最

⾼，从⽽使⼤部分光在衍射后主要沿这⼀⽅向传播。

图 5. (a) 表⾯浮雕光栅的部分衍射级和⾊散⽰意图, (b) 全息体光栅的部分衍射级和⾊散⽰意图， (c) 衍射光栅与分光棱

镜的对⽐⽰意图。

这就起到了与传统光学器件类似的改变光线传播⽅向的作⽤，但是它所有的操作⼜都是在平⾯上通过微纳⽶结构实现

的，所以⾮常节省空间，⾃由度也⽐传统光学器件⼤很多。

对于光波导⽽⾔，这⼀衍射⾓度还需要满⾜玻璃基底⾥的全反射条件才能在波导中传播，这在上⼀篇中有分析过。

在将⼊射光分成不同衍射级的基础上，衍射光栅的另⼀“分光”维度体现在⾊散，即对同⼀光栅周期来说，不同波长的衍

射⾓度(θm)也不同。如图5所⽰，假设⼊射光是⽩光，那么波长越长的光线衍射⾓度越⼤，即图⽰的衍射⾓红光(R)>绿

光(G)>蓝光(B)，这⼀⾊散作⽤在反射衍射和透射衍射中都会体现出来。

这个现象是不是看上去有点熟悉？我想⼤家⼩时候都玩过棱镜，太阳光(⽩光)通过它之后也会被分光成“彩虹”，只不过它

的分光原理是光的折射作⽤⽽⾮衍射作⽤。图5(c)将衍射光栅的分光现象(包括多衍射级和⾊散作⽤)与棱镜的分光⾊散

做了直观的对⽐，可以看到衍射光栅将光分成不同衍射级别的同时，每⼀个级别⼜都有⾊散现象，⽐分光棱镜要复杂很

多。

六 衍射光波导的⼯作原理

了解了衍射光栅的⼯作原理之后，我们来看⼀下它如何在光波导中⼯作的。

如果我们回忆上⼀篇⽂章中提到的，在⼏何光波导中利⽤“半透半反”镜⾯阵列可以实现⼀维扩瞳，如果我们将这个概念

转移到衍射光波导⾥，如图6(a)所⽰，可以简单地⽤⼊射光栅来将光耦合⼊波导，然后⽤出射光栅代替镜⾯阵列。即像

蛇⼀样在波导⾥⾯“游⾛”的全反射光线在每次遇到玻璃基底表⾯的光栅的时候就有⼀部分光通过衍射释放出来进⼊眼

睛，剩下的⼀部分光继续在波导中传播直到下⼀次打到波导表⾯的光栅上，不难理解⼀维扩瞳即可以实现了。

图 6. 衍射光波导中的扩瞳技术: (a) ⼀维扩瞳, (b) 利⽤转折光栅实现的⼆维扩瞳， (c) 利⽤⼆维光栅实现的⼆维扩瞳。

但是⼈们并不满⾜于在⼀个⽅向上(即沿双眼瞳距的X⽅向)增⼤动眼框，既然光栅结构⽐传统光学器件能够在更⼤的⾃

由度上操控光的特性，那么我们何不在另⼀个⽅向上(即沿⿐梁的Y⽅向)也实现扩瞳呢，这样不只可以使得AR眼镜能够

接受更⼤范围的瞳距，也可以对不同脸型、⿐梁⾼度的⼈群更有兼容性。

⽤衍射光栅实现⼆维扩瞳的概念⼗⼏年前由位于芬兰的Nokia研究中⼼的科学家Dr. Tapani Levola提出，并且给业内贡

献了许多有价值的论⽂，主要使⽤的是表⾯浮雕光栅(SRG)。

后来这部分IP分别被Microsoft和Vuzix购买或者获得使⽤执照(licen)，所以现在的HoloLens I和Vuzix Blade⽤的都是

类似的光栅结构和排布。如图6(b)所⽰，另⼀个全息体光栅(VHG)的代表光学公司Digilens也是⽤类似的三区域光栅排布

来实现⼆维扩瞳。可以看到当⼊射光栅(input grating)将光耦合⼊波导后，会进⼊⼀个转折光栅(fold/turn grating)的区

域，这个区域内的光栅沟壑⽅向与⼊射光栅呈⼀定⾓度，为了⽅便理解我们假定它是45度⾓，那么它就像⼀个45度的镜

⼦⼀样将X⽅向打来的光反射⼀下变成沿Y⽅向传播。

并且在这个转向的过程中，由于全反射⾏进的光线会与转折光栅相遇好⼏次，每⼀次都将⼀部分光转90度，另⼀部分光

继续横向前进，这就实现了类似图6(a)的在X⽅向的⼀维扩瞳，只不过扩瞳后的光并没有耦合出波导，⽽是继续沿Y⽅向

前进进⼊第三个光栅区域 – 出射光栅 (output grating)。

出射光栅的结构与⼊射光栅类似，只不过⾯积要⼤很多⽽且光栅沟壑的⽅向与⼊射光栅垂直，因为它承担着在Y⽅向扩

瞳的重任，过程与图6(a)类似，只不过它接受的是多个光束⽽⾮⼀个。我们假设单瞳(pupil)的⼊射光在经过转折光栅后

扩展成M x 1个瞳(即⼀个X⽅向的⼀维阵列)，那么在经过出射光栅后就被扩展成了⼀个M x N的⼆维矩阵，其中N是光线

在出射光栅区域全反射的次数即扩瞳的个数。

⽤转折光栅实现⼆维扩瞳是⼀个⽐较直观也是⽬前市⾯上主流产品如HoloLens I, Vuzix Blade, Magic Leap One,

Digilens等采取的⽅式，其中三个光栅区域的⾯积、形态、排布⽅式可以根据眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调

节。

另外⼀种实现⼆维扩瞳的⽅式是直接使⽤⼆维光栅，即光栅在⾄少两个⽅向上都有周期，⽐较直观来讲就是单向“沟

壑”变为柱状阵列。来⾃英国的衍射光波导公司WaveOptics就是采⽤的这种结构，如图6(c)所⽰，从⼊射光栅(区域1)耦

合进波导的光直接进⼊区域3，这个区域的⼆维柱状阵列可以同时将光线在X和Y两个⽅向实现扩束，并且⼀边传播⼀边

将⼀部分光耦合出来进⼊⼈眼。

可想⽽知这个⼆维光栅的设计是⾮常复杂的，因为在兼顾多个传播⽅向的耦合效率同时还要平衡每个出瞳的出光均匀

性。

它的好处是只有两个光栅区域，减少了光在传播中的损耗，并且由于没有了转折光栅，出射光栅就可以在有限的玻璃镜

⽚上占据更⼤的⾯积，从⽽增⼤有效动眼框的范围。

WaveOptics 40度FOV的模组动眼框可以达到19 x 15 mm，是⽬前市⾯上的同类产品中最⼤的。

七 衍射光波导的优缺点分析

衍射光波导技术与⼏何光波导相⽐主要优势在于光栅在设计和⽣产上的灵活性，不论是利⽤传统半导体微纳⽶制造⽣产

⼯艺的表⾯浮雕光栅，还是利⽤全息⼲涉技术制成的体光栅，都是在玻璃基底平⾯上加镀⼀层薄膜然后加⼯，不需要像

⼏何光波导中的玻璃切⽚和粘合⼯艺，可量产性和良率要⾼很多。

另外，利⽤转折光栅或者⼆维光栅可以实现⼆维扩瞳，使得动眼框在⿐梁⽅向也能覆盖更多不同脸型的⼈群，给⼈体⼯

程学设计和优化⽤户体验留了更⼤的容差空间。由于衍射波导在Y⽅向上也实现了扩瞳，使得光机在Y⽅向的尺⼨也⽐

⼏何光波导的光机减⼩了。

在⼏何光波导中，需要在镜⾯阵列中的每个镜⾯上镀不同R/T⽐的多层膜，来实现每个出瞳的出光均匀，需要⾮常繁冗

的多步⼯艺。⽽对于衍射光栅来说，只需要改变光栅的设计参数例如占空⽐、光栅形状等，将最终结构编辑到光刻机、

电⼦束曝光机、或者全息⼲涉的掩膜(mask)⾥，便可⼀步“写”到光栅薄膜上，来实现多个出瞳的出光均匀。

然⽽，衍射光波导技术也有它的不⾜，主要来源于衍射元件本⾝对于⾓度和颜⾊的⾼度选择性，这在图5中有所解释。

⾸先需要在多个衍射级别的情况下优化某⼀个⽅向上的衍射效率从⽽降低光在其他衍射⽅向上的损耗。

拿表⾯浮雕光栅的⼊射光栅来说，图6(a)中对称的矩形光栅结构衍射到左边的光并不会被收集传播到眼睛⾥，相当于浪

费了⼀半的光。因此⼀般需要采⽤如图4(b)中的倾斜光栅(slanted grating)或者三⾓形的闪耀光栅(blazed grating)，使得

往眼睛⽅向衍射的光耦合效率达到最⾼。这种倾斜的表⾯浮雕光栅在⽣产⼯艺上⽐传统矩形光栅要求更⾼。

然后就是如何对付⾊散问题，如图5中提到的，同⼀个衍射光栅对于不同的波长会对应不同的衍射⾓度。

由于来⾃光机的是红绿蓝(RGB)三⾊，每个颜⾊包含不同的波长波段。当它们通过⼊射光栅发⽣衍射后，如图7(a)所

⽰，假设我们优化的是+1级的衍射光即T+1, 对于不同的波长衍射⾓θ+1T就会不同，即R>G>B。

图 7. 衍射光波导中的⾊散问题: (a) 单层光波导和光栅会引起出射光的“彩虹效应”, (b) 多层光波导和光栅提⾼了出射光的

颜⾊均匀性。

由于这个⾓度的不同，光每完成⼀次全反射所经历的路程长度也会不同，红⾊全反射的次数少于绿⾊，⽽蓝⾊全反射次

数最多。由于这个差异，图7(a)中的光在最终遇到出射光栅时(请看指向眼镜的箭头)，蓝⾊会被耦合出3次(即出瞳扩成3

个)，绿⾊2次，红⾊1次，这会导致眼睛移动到动眼框的不同位置看到的RGB⾊彩⽐例是不均匀的。

另外，即使同⼀颜⾊的衍射效率也会随着⼊射⾓度的不同⽽浮动，这就导致在整个视场⾓(FOV)范围内红绿蓝三⾊光的

分布⽐例也会不同，即出现所谓的“彩虹效应”。

为了改善⾊散问题，可以如图7(b)所⽰将红绿蓝三⾊分别耦合到三层波导⾥⾯，每⼀层的衍射光栅都只针对某⼀个颜⾊

⽽优化，从⽽可以改善最终在出瞳位置的颜⾊均匀性，减⼩彩虹效应。

但是由于RGB LED每个颜⾊内部也不是单⼀的波长，⽽是覆盖了⼀⼩段波长段，仍然会有轻微的彩虹效应存在，这是

衍射光栅的物理特性导致的，⾊彩均匀性问题只能通过设计不断优化但不能完全消除。

最近问世的Hololens II 则将LED光源换成了光谱很窄的激光光源，会极⼤地减⼩彩虹效应。为了使得眼镜⽚更轻薄，市

⾯上⼤部分产品将红绿⾊(RG)并⼊⼀层波导传播。也有勇于探索的⼚商使⽤⼀些新型光栅设计将RGB三⾊都并⼊⼀层

波导，例如波导公司Dispelex，但⽬前全彩的demo只有30度左右FOV。

总结⼀下，衍射这个物理过程本⾝对于⾓度和波长的选择性导致了⾊散问题的存在，主要表现为FOV和动眼框内的颜⾊

不均匀即“彩虹效应”。光栅设计优化过程中，对于所覆盖颜⾊波段和⼊射⾓(即FOV)范围很难兼顾，如何⽤⼀层光栅作

⽤于RGB三⾊并且能实现最⼤的FOV是业内⾯临的挑战。

⽤于RGB三⾊并且能实现最⼤的FOV是业内⾯临的挑战。

⼋ 衍射光波导的分类

⽬前表⾯浮雕光栅(SRG)占市场上衍射光波导AR眼镜产品的⼤多数，得益于传统光通信⾏业中设计和制造的技术积累。

它的设计门槛⽐传统光学要⾼⼀些，主要在于衍射光栅由于结构进⼊微纳⽶量级，需要⽤到物理光学的仿真⼯具，然后

光进⼊波导后的光线追踪(ray tracing)部分⼜需要和传统的⼏何光学仿真⼯具结合起来。

它的制造过程先是通过传统半导体的微纳⽶加⼯⼯艺(Micro/Nano-fabrication)，在硅基底上通过电⼦束曝光(Electron

Beam Lithography)和离⼦刻蚀(Ion Beam Etching)制成光栅的压印模具(Master Stamp)，这个模具可以通过纳⽶压印技

术(Nanoimprint Lithography)压印出成千上万个光栅。

纳⽶压印需要先在玻璃基底(即波导⽚)上均匀涂上⼀层有机树脂(resin)，然后拿压印模具盖下来，过程很像“权⼒游戏”⾥

古时候寄信时⽤的封蜡戳，只不过这⾥我们需要⽤紫外线照射使resin固化，固化后再把“戳”提起来，波导上的衍射光栅

就形成啦。

这种resin⼀般是在可见光波段透明度很⾼的材料，⽽且也需要与波导玻璃类似的⾼折射率指数(index)。表⾯浮雕光栅已

经被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等产品的问世证明了加⼯技术的⾼量产性，只不过精度和速度都可靠的电⼦束曝光和

纳⽶压印的仪器都价格不菲，并且需要放置在专业的超净间⾥，导致国内有条件建⽴该产线的⼚商屈指可数。

在做全息体光栅(VHG)波导⽅案的⼚家⽐较少，包括⼗年前就为美国军⼯做AR头盔的Digilens，曾经出过单⾊AR眼镜

的Sony，还有由于被苹果收购⽽变得很神秘的Akonia，还有⼀些专攻体光栅设计和制造的⼚家。

他们所⽤的材料⼀般都是⾃家的配⽅，基本是感光树脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或者两者混合。制作过程

也是先将⼀层有机薄膜涂在玻璃基底上，然后通过两个激光光束产⽣⼲涉条纹对薄膜进⾏曝光，明暗⼲涉条纹会引起材

料不同的曝光特性，导致薄膜内出现了折射率差(Δn, index contrast)，即⽣成了衍射光栅必备的周期性。

由于体光栅由于受到可利⽤材料的限制，能够实现的Δn有限，导致它⽬前在FOV、光效率、清晰度等⽅⾯都还未达到

与表⾯浮雕光栅同等的⽔平。但是由于它在设计壁垒、⼯艺难度和制造成本上都有⼀定优势，业内对这个⽅向的探索从

未停歇。

九 总结

好了，说了这么多，让我们⽐较下光波导的各个技术⽅案来看看究竟花落谁家，为了⽅便⼤家横向⽐较我们总结了⼀个

⽐较详细的表格。

其中⼏何光波导基于传统光学的设计理念和制造⼯艺，并且实现了⼀维扩瞳。它的龙头⽼⼤是以⾊列公司Lumus，⽬前

demo了55度FOV，成像亮度和质量都⾮常好。

但遗憾的是⼏何光波导的制造⼯艺⾮常繁冗，导致最终的良率堪忧，由于市⾯上还没有出现达到消费级别的AR眼镜产

品，它的可量产性还是⼀个未知数。

衍射光波导得益于微纳⽶结构和“平⾯光学”的技术发展，能够实现⼆维扩瞳。其中主流的表⾯浮雕光栅被多家明星公司

使⽤并⽤消费级产品证明了它的可量产性，其中HoloLens II达到了52度FOV。

另外⼀种全息体光栅也在平⾏发展中，如果能够在材料上突破瓶颈以提升光学参数，未来量产也很有希望。我们认为，

衍射光波导具体说表⾯浮雕光栅⽅案是⽬前AR眼镜⾛向消费市场的不⼆之选。

但是由于衍射光栅设计门槛⾼和“彩虹效应”的存在，做出理想的AR眼镜仍然任重道远，需要业内各个产业链的共同努

⼒，Rokid AR团队也致⼒与⼤家⼀起探索AR眼镜这⼀核⼼技术的突破与应⽤，以期为⽤户带来真正轻薄便携、体验优

秀的AR眼镜。

作者：李琨，浙江⼤学光电系本科毕业，美国加州伯克利⼤学电⼦⼯程系博⼠毕业，主要研究⽅向包括光学成像系统、

光电⼦器件、半导体激光器和纳⽶技术等。现就职位于美国旧⾦⼭湾区的Rokid R-lab，担任光学研究科学家和多个项

光电⼦器件、半导体激光器和纳⽶技术等。现就职位于美国旧⾦⼭湾区的Rokid R-lab，担任光学研究科学家和多个项

⽬负责⼈。

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