近年來，增強現實頭戴顯示器（AR-HMD）被廣泛認為是“未來黑科技”。然而，這并不是一個新概念。雖然虛擬現實(VR)和增強現實(AR)經常被同時提到，但它們是完全不同的概念。

    VR-HMD技術將用戶置于一個完全由計算機生成的虛擬世界，包括游戲、電影和直播。

    AR-HMD技術不僅可以讓用戶看到眼前的真實場景，還可以幫助用戶同時看到計算機生成的真實場景中不存在的虛擬信息。

    AR-HMD可以通過聲音、視頻、圖形、導航數據的實時疊加來增強現實世界，為人們的工作和生活提供信息幫助。

    由于AR-HMD對用戶體驗進行了顛覆性的升級，可廣泛應用于航天航空、智能制造、信息交互、移動辦公、影音娛樂等眾多領域，被認為是繼PC、智能手機等智能通信和計算終端設備之后的“下一代計算平臺”。

    光學透視式是目前AR-HMD的主要研究方向，它通過使用可透明的光學組合器元件和微顯示器使顯示屏幕與現實世界的可視窗口一致，確保真實場景和虛擬圖像能夠同時到達人眼，由此實現聯結現實世界和虛擬世界。

    AR-HMD的發展仍然面臨巨大挑戰。由于它是一種頭戴式設備，體積大、重量大的系統不適合人們長時間佩戴，因此需要一個符合人體工程學的AR-HMD光學系統解決方案。

    由于加工技術的限制，早期的光學系統需要使用大量的球面透鏡來校正巨大的像差，這無疑增加了系統的重量。由于AR-HMD是一種目視光學系統，眼瞳箱的大小限制了人眼的觀看位置，為了達到佩戴舒適，光學系統需要提供一個大的眼瞳箱。此外，為了能滿足應用需求，迫切需要大視場(FOV)、大數值孔徑、高分辨率AR-HMD。然而，由于光學不變量的限制，同時實現大視場、大數值孔徑和高分辨率是困難的。微顯示器的顯示光譜帶寬需要與人眼的敏感光譜區域相匹配，商業應用需求一般要求AR-HMD具有全彩顯示能力，這就引出了消色差或校正色差的問題。為了使外部環境與虛擬信息之間形成足夠的亮度對比，微顯示器需要在人眼的舒適范圍內有較大的亮度調節范圍，因此高光效率的硅基液晶(LCOS)、有機發光二極管(OLED)等微顯示器仍然是必要的。

    結合上述光學要求，AR-HMD光學系統是一種具有大視場和大數值孔徑(NA)的光學成像系統。如何同時實現輕薄、大視場、高分辨率、低色差全彩色、大眼瞳箱、高光效的AR-HMD的光學方案已成為公認的科學難題。

    鑒于此，北京理工大學王涌天教授、程德文教授等人以“Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook”在 Light: Advanced Manufacturing 發表綜述論文。

    AR-HMD光學方案的分類

    目前AR-HMD光學組合器的解決方案如圖1所示，主要分為宏觀光學方案、微光學方案和納米光學方案三大類。

圖1. AR-HMD 光學方案

    1. 宏觀光學解決方案包括傳統光學、自由棱鏡和幾何光波導解決方案，主要基于斯涅爾折反射定律

    2. 微光學解決方案包括SRG、VHG和PVG衍射光柵解決方案，主要基于光柵的衍射效應

    3. 納米光學解決方案包括超透鏡和超表面反射器解決方案，主要基于納米微結構的相位調制

    AR-HMD光學顯示方案

    1.1 宏觀光學方案

    1.1.1 傳統光學方案

    如圖2所示為部分代表性傳統AR-HMD光學方案。

圖2. 傳統AR-HMD光學方案

    圖2a所示為一個基于傳統目鏡結構的光學透射式AR-HMD，通過平面分光耦合元件，將虛擬信息與真實環境耦合到一起，實現增強現實顯示的功能，然而其視場角非常小。

    圖2b是早期被大量采用的一類AR-HMD光學方案，其中中繼投影鏡頭組提供了系統主要的光焦度，可以增大系統的成像視場角，此外該類AR-HMD光學方案具有很高的光學透過率和較大的眼瞳箱尺寸和出瞳距離，大量應用于航空領域。

    如圖2c所示，利用單片自由曲面半透半反鏡實現的一次折反AR-HMD由于系統中成像光學元件僅一片自由曲面，可以極大的減輕系統的重量，緩解了用戶佩戴的沉重感。但像差較大，同時也引入了較大的畸變。

    如圖2d所示，BirdBath光學方案中包括一個平面分光耦合元件以及一個曲面分光耦合元件，通過兩個耦合元件，將由上方微顯示器顯示的圖像與真實世界聯系起來。本質上該光學系統中鏡片的共軸性仍然存在，因此像差較小。

    1.1.2 自由曲面棱鏡方案

    自由曲面面型描述以及設計方法的發展促進了光學設計領域的發展。自由曲面棱鏡由于體積小，重量輕，可實現大視場角、高分辨率、大出瞳直徑和透視顯示。

圖3. 自由曲面棱鏡光學方案

    如圖3a所示，我們團隊提出了基于自由曲面棱鏡的AR-HMD的具體設計方法，并提出由一塊自由曲面楔形棱鏡L1和自由曲面透視補償透鏡L2拼接的新結構。虛擬成像光路的光線從微顯示器出發通過自由曲面棱鏡的表面S3透射進入棱鏡內部，然后在表面S1′上發生全反射后到達光學表面S2，再次經過表面S2反射，經過棱鏡的前表面S1透射最終離開棱鏡并進入人眼。來自真實場景的光線依次透射通過自由曲面透視補償棱鏡L1和楔形棱鏡L2后進入人眼。

    之后我們團隊也提出了拼接自由曲面棱鏡，如圖3b所示，進一步增加了單目顯示視場，達到82度。基于自由曲面棱鏡光學方案，現已實現120°對角視場，出瞳大小為6mm。

    圖4給出了自由曲面閉環反饋加工的核心過程：模具和模仁加工、模仁檢測、注塑成形、像質評價。當未達到設計的成像精度目標時，可通過加工補償實現面形的補償加工。

圖4. 自由曲面閉環加工核心流程

    1.1.3 幾何波導方案

    幾何波導采用反射鏡將光線耦合進來，并使用分光鏡陣列將光線耦合出射。

圖5. 幾何波導光學方案

    如圖5a所示，幾何波導顯示器由三部分組成，分別是微型顯示器，投影光學器件和幾何波導光學器件，在這三個部分中，波導用作光瞳擴展器，并且是減小AR-HMD厚度的關鍵因素。來自微型顯示器的圖像通過投影光學器件到達波導中的入射鏡，之后光線通過全內反射條件（TIR）在基板上連續反射，當光線到達分光鏡陣列（PRMA）后，PRMA將光從波導中耦合出射進入人眼。

    如圖5b所示，一種具有兩個幾何波導的AR-HMD，兩個波導以很小的空氣間隔堆疊在一起，以便光可以獨立地在兩個波導內部傳播，最終實現大視場顯示。幾何波導的加工流程如圖7所示。

    1.2 微光學方案

    1.2.1 表面浮雕光柵SRG

圖6. 表面浮雕光柵SRG

    如圖6a所示為一般一維二元矩形光柵的基本結構，包含有周期，深度，占空比。

    如圖6b所示，準直光束由入耦合光柵向兩個對稱方向衍射并進行全反射傳播，最后通過出耦合光柵出射被人眼接收。為保證眼睛沿著波導內光傳播方向移動能看見完整圖像，需要對出耦合端進行出瞳擴展，以擴大眼瞳箱。傾斜式的表面浮雕光柵打破矩形光柵本身的對稱性，可以在特定級次上實現很高的衍射效率。

    如圖6c所示為傾斜式表面浮雕光柵。

    如圖6d所示，為實現出瞳擴展，當光打到出耦合光柵元件，一部分光會被衍射從波導出射，另一部分光繼續全反射，全反射光每次與出耦合光柵作用時都會有衍射光出射，剩余光繼續沿著原方向全反射。

    表面浮雕光柵主要通過電子束刻蝕技術制造。制作過程如圖7所示，以SiO₂作為基底，在基底上涂覆有鉻層(Cr)和抗腐蝕劑層(resist)，然后利用激光的全息記錄技術對對抗蝕劑層進行刻印。再通過氯干腐蝕工藝將抗蝕劑圖案轉移到鉻層中。在刻蝕工藝完成之后，再將剩余的光刻膠用氧等離子體過程剝離（oxygen plasma process），獲得了具有用于后續氟利昂化學反應離子束蝕刻(RIBE)的極好的垂直剖面形狀。在RIBE（反應離子束刻蝕，reactive ion beam etching (RIBE)）刻蝕過程中，電離氬束以斜入射角射向襯底。在蝕刻腔中加入反應氣體(氟利昂)，最終在SiO₂中蝕刻了一個斜柵。在RIBE蝕刻后，用標準濕法蝕刻工藝去除Cr掩模。為了大批量生產AR衍射光柵，納米壓印(NIL)是最適用的方法。利用壓印技術，對母板進行接近1：1的壓印復制，可實現對母版的大批量復制制作，且能保證復制光柵的性能穩定。

圖7. 表面浮雕光柵制造工藝的基本流程

    1.2.2 體全息光柵VHG體全息光柵波導系統（VHG）是平板波導的另一種解決方案。相比較于表面浮雕光柵而言，體全息光柵是基于光的干涉原理制作的具有周期性折射率變化的三維立體結構，當光線入射時，根據布拉格衍射的特點，只有特定角度入射的特定波長光線才可以以高衍射效率出射，由于其出色的波長和角度選擇性，體全息光柵開始被廣泛應用于近眼顯示領域。

圖8. 全息光柵波導與其的曝光制備光路

    如圖8（a）所示，當光在玻璃基板上完全反射時，一旦到達全息表面就會發生衍射。而衍射光不再滿足全反射的條件，將從玻璃板中發射出來。同時可以調節入瞳的大小，實現連續的出瞳區域。

    之后如圖8（b）所示，通過堆疊入耦合和出耦合體全息光柵，發展出了彩色的VHG耦合光柵波導。然而，這些全息光柵疊加會使系統產生雜散光。

    體全息光柵的制作主要分為制膠、旋涂、晾干、曝光及后處理過程。全息光柵記錄光路圖如圖8（c）,曝光時，激光器發出激光,通過分束鏡之后分為具有一定光強比的光束,經過擴束準直及反射鏡反射之后,入射到預涂好光膠的全息干板上,曝光干涉形成干涉條紋。

    1.2.3 偏振體全息波導PVG

圖9. 偏振體全息光柵PVG用于衍射波導AR-HMD及其加工制備方法

    如圖9a所示，在PVG中，液晶分子LC光軸在xz平面的旋轉角度是利用頂基板形成的，并沿x軸周期性地變化。在PVG的頂部襯底下，LC沿y軸呈螺旋周期結構。這種方法產生了大量的周期性和傾斜折射率表面(綠色虛線)，由此實現光束的衍射偏轉。

    如圖9b所示，給出了PVG波導AR-HMD光路圖。兩個左旋和右旋PVGs疊加成入射耦合光柵。入射耦合光柵衍射左圓偏振光和右圓偏振光并傳輸另一正交偏振光。傳播圖像最終由兩個出射耦合光柵分別出射到人眼。

    圖9c顯示了制備PVGs的流程圖。在曝光制作過程之前，將亮黃(BY)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，并旋轉涂覆在玻璃基上，得到均勻的薄膜，然后在熱板上干燥。然后對薄膜樣品進行偏振干涉曝光。之后，在旋涂過程中還加入了手性摻雜劑和感光劑。涂覆后的薄膜用紫外光固化。最后，反復涂覆和固化，直到達到足夠的厚度。

    1.3 納米光學方案

    超透鏡具有數值孔徑大、形狀因子超薄、通用性強等優點。

圖10. 基于超透鏡的AR-HMD光學方案與加工制備流程

    超透鏡的子單元納米棒結構如圖10a所示，在SiO₂基板上按照一定的位置和方位排列大量的納米棒單元可以形成超透鏡。

    如圖10b所示，基于超透鏡的相位調制，其中對虛擬信息手性為σ的光產生透鏡的會聚作用，對來自真實場景的光的手性為−σ不產生效應直接透射，通過上述基本原理實現AR透視成像。

    如圖10c所示，對應反射型超表面AR-HMD。如圖10d-e所示，為對應納米壓印制備大尺寸超透鏡的流程圖。整個過程有兩個步驟。

    圖10(d)使用標準電子束光刻工藝，制備具有超表面圖案的母版，用于納米壓印。然后用電子束蒸發器蒸鍍幾層薄膜。

    圖10(e)對于目標樣品，使用LPCVD和旋轉涂層制備具有多晶硅薄膜和粘合劑層的石英薄片。包含Au、Cr和SiO₂薄膜的超表面圖案被轉移到晶圓上。然后，樣品被蝕刻，其中Au和Cr圖案被用作蝕刻的硬掩膜。通過Cr蝕刻劑去除Cr掩膜和其他殘留，并進行進一步的蝕刻處理，最終制成樣品。

    本文從宏觀光學、微觀光學和納米光學三個方面綜述了AR-HMD光學解決方案的研究進展和發展前景。

    基于斯涅爾折反射定律的宏觀光學解決方案經歷了從傳統光學解決方案到自由棱鏡和幾何光波導解決方案的轉變，顯著提高了AR-HMD系統的成像質量和緊湊性。自由曲面棱鏡的使用有效地擴展了視場，減少了傳統光學元件的使用。平面光波導進一步減小了系統的體積和重量。

    基于微光學解決方案的衍射光柵器件的使用使AR-HMD更輕薄，然而視場角和全彩顯示依然是限制衍射波導發展的重要因素。表面浮雕光柵SRG波導通常需要堆疊多層波導才能實現全彩顯示，而體全息光柵VHG波導通常需要三步曝光，這容易造成全彩色雜光串擾，使得實現大視場的全彩色顯示變得困難。基于液晶器件PVG在擴展視場的同時顯著提高了衍射效率，這是新興AR-HMD組合器的研究方向。

    對于納米光學解決方案，超透鏡也已經逐步探索應用于AR-HMD，在一定程度上實現了具有大視場和大NA的超薄目鏡的設計。

    隨著設計方法的創新、不同技術的有效融合、制造工藝方法的進步以及新興材料/器件的出現，相信在不久的將來，具有普通眼鏡形態的AR-HMD光學解決方案將會實現。

    論文信息：

    Dewen Cheng, Qiwei Wang, Yue Liu, Hailong Chen, Dongwei Ni, Ximeng Wang, Cheng Yao, Qichao Hou, Weihong Hou, Gang Luo, Yongtian Wang. Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook[J]. Light: Advanced Manufacturing. ‍https://doi.org/10.37188/lam.2021.024‍