【至格技术系列】走进AR衍射光波导——光栅设计

如今,AR眼镜极具发展潜力已成为业内共识,甚至有人认为AR眼镜将会成为继PC、智能手机后的下一代信息终端。然而目前AR眼镜却未能在消费端落地普及,一个很重要的原因就是产品不够成熟,其核心部件显示模块仍存在技术瓶颈。

 

从用户需求角度来看,AR显示模块有三大关键点和发展趋势:轻薄舒适、沉浸感强、价格合理。而基于传统几何光学原理的半透半反显示方案和阵列光波导显示方案都无法同时兼顾这三大关键点。为此,衍射光波导应运而生,它同时具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产成本低的优势,因此被普遍认为是AR行业未来的主流显示技术路线。

 

也许对大多数人来说,衍射光波导还是一个陌生名词,今天至格科技就带大家一起走进神秘的衍射光波导。

 

01 什么是衍射光波导?

 

虽然我们对衍射光波导还很陌生,但其实我们早已见过衍射光波导所利用的衍射效应。比如前段时间北京上空出现的“七彩祥云”就是太阳光经过云中的小水滴和小冰晶产生的衍射现象。

 

衍射光波导,是利用光栅的衍射特性来设计“光路”,让光在设计好的路径上传播,将微投影系统发出的光导入人眼。由于其光学结构的特征尺寸从传统几何光学的毫米级别提高到了现代衍射光学的微纳米级别,因此对企业的微纳光学设计和生产能力提出了更高级别的要求。

 

通常事物都具有两面性,技术也如此。衍射光波导的不足恰恰在于其特征尺寸与光波长相当,所以对不同颜色的光非常敏感,极易出现色散问题,但这并非不能解决。衍射光波导技术目前仍属于起步阶段,未来前景不可限量。

 

综上所述,我们可以得知衍射光波导是利用光的衍射效应,基于衍射光栅这一光学元件来实现AR效果。所以对于衍射光波导来说,光栅是最核心的部分。

 

衍射光波导的研制流程主要分为三大环节:光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产。做一个形象的比喻,衍射光波导的生产就像是在生产饼干,首先需要设计出饼干上的图样(光栅设计),然后要根据设计精准制作出饼干模具(光栅母版加工),最后用这个模具批量“压制”出饼干来(纳米压印生产)。当然,在真正的衍射光波导的生产中,这种“模具”和“压制”必须具有极复杂的结构和极高的精度。

 

限于篇幅原因,本次主要讲解光栅设计部分。(光栅母版加工和纳米压印生产将会在后期讲解,敬请关注。)

 

02 光栅设计的概念与流程

 

我们都知道独具特色的黄土高原,经过亿万年的风沙洗礼、雨水冲刷,形成了有高峰有低谷的千沟万壑。这就很像衍射光栅。

 

光栅扫描电镜照片

 

衍射光栅是具有周期性结构的光学元件,每一个周期可以是材料表面“雕刻”出来的高峰和低谷。而光栅设计就是通过合理优化光栅的各项参数(例如周期、占空比、槽深、侧壁倾角等),使光栅能够满足所需的光学性能。其本质实际上是求解一个逆问题。

 

什么是逆问题呢?

 

一般来说,物理研究中的问题种类可以粗略分为两种:正问题和逆问题。正问题是已知原因求结果,而逆问题就是已知结果反求原因。

 

举一个简单的例子,求3+3等于几?这就是一个正问题。求6等于几加几?这就是一个逆问题。通常正问题只有一个解,3+3=6。而逆问题则有多个解,比如6=0+6、6=1+5、6=2+4……这就是逆问题的多解性。由此可见,逆问题要比正问题难得多。

 

既然我们知道了光栅设计是求解一个逆问题,那么就可以将光栅设计流程理解为根据结果(即想要的光学性能)寻找原因(即光栅参数)。

 

显然如果只有结果是很难找到原因的,因此光栅设计通常是从一个经验性的初始结构开始的(这一步骤比较依赖经验),然后设置好目标函数(即如何评价想要的光学性能),最后根据各种最优化算法将初始结构优化到所需要的目标上去。

 

从流程上看似乎很容易,然而想要实现却非常难。需要具备很强的微纳光学设计能力以及长期的光栅制作经验积累,才能做出理想的衍射光波导。这也是为什么很多想要切入衍射光波导领域的光学厂商实际进展非常缓慢的原因。

 

03 至格科技的领先优势

 

经过不断地探索与研究,至格科技终于凭借多年积累的科研底蕴打破了技术瓶颈,形成了行业领先的技术优势。

 

┃自研光栅设计软件,速度快、精度高、自由度高

 

对于光栅设计而言,它的正问题就很不简单。比如有一个光栅结构,告诉你光的入射特性,求它被衍射出来的光的特性,这就是光栅的正问题。对于传统几何光学来说,光学元件的特征尺寸远大于光波长,光可以被当做光线处理,遵循几何光学的折反射定律,因此正问题比较简单。

 

然而对于光栅来说,其特征尺寸与光波长相当,不能再将光当做光线来处理,同时也不再遵循几何光学的折反射定律,而要把光当做一种电磁波,通过严格的电磁场矢量计算来求解其衍射特性(即衍射光的方向、振幅、相位、偏振态等)。具体来讲,就是要在光栅区域求解麦克斯韦方程组,这是一组偏微分方程,光栅的正问题就是寻找这组偏微分方程的解。而且它没有一个具有表达式的解析解,只有通过巨量运算得到的数值解。

 

至格科技研发部负责人表示:“针对光栅的正问题,我们自主掌握针对不同类型光栅的全套计算软件,软件算法来源于清华大学光栅与测量实验室20余年的技术积累。相比大部分厂商所使用的商用软件来说,我们自研的光栅设计软件具有计算速度快、计算精度高、设计自由度高三大优势,不仅能够快速、准确地完成光栅设计,而且还能设计很多商用软件无法设计的复杂光栅结构。”

 

最优化算法解决逆问题,设计速度快

 

针对光栅设计的逆问题,至格科技研发部负责人表示:“对于逆问题的多解性来说,我们不是用遍历法去找解,而是开发了一套最优化算法去寻找最优解。简单来讲就是我们并不是把所有的解都找出来,而是先找到一个解,从一个初值开始,逐步对这个值进行优化。通过最优化提高计算效率,进而提升我们的设计速度。”

 

设计制造紧密配合,迭代速度快

 

光栅设计除了要有很强的设计能力以外,还必须结合制造一起去做,毕竟就算设计再厉害如果做不出来就没有意义。至格科技采用典型的IDM运作模式,集光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产三大业务环节于一身,实现了设计与制造的紧密配合。在做光栅设计的时候可以兼顾到母版加工和生产制造的工艺能力,遇到问题能够及时调整优化,产品迭代速度非常快,迭代一组参数最快仅需要一到两周。

 

至格科技基于清华大学20余年的技术积累,成功攻克衍射光波导研制过程中的光栅设计问题。接下来,面对光栅母版加工和纳米压印生产两大行业性技术难题,至格科技又将如何解决?敬请关注下期【至格技术系列】。