基于波导光栅的增强现实显示器表征

衍射波导光栅是头戴式增强现实（AR）设备最有发展前景的显示技术之一。验证这些光栅的质量要求极高精度的光学测量，OptoFidelity是这一专业领域的佼佼者。

一、简介

增强现实（AR）显示器具有多种具有竞争性的技术解决方案，包括波导、微棱镜、级联镀膜反射镜和视网膜激光技术。其中，具有表面浮雕光栅的波导最受欢迎，已在Microsoft Hololens和Magic Leap One中得到应用。

这些产品基于出瞳扩展，该创意来自诺基亚的研究人员，于2010年获得专利权。简单来说，其基本工作原理就是将微型投影仪的出瞳放在玻璃板的表面上，其中光栅进行大角度光偏转，由于全内反射，光将在玻璃内部被捕获。然后使用其他一两个光栅逐步提取光，使出瞳的多个部分产生复制和位移。最后，通过一个较大的显示窗口进入增强现实，供用户浏览。该技术的另一个直接优势是不再要求眼睛位置的精度，并且各种瞳孔间距（IPD）的用户都适用。

但是，如果要获得用户体验满意度，即保证高水平的图像均匀性、对比度和亮度，就必须对衍射光栅进行精度极高的纳米加工。为了保证整个显示图像上亮度的均匀性，必须改变给定光栅的光栅特性。只有通过精确的测量，才能验证所生产的光栅是否符合严格的质量标准。

二、衍射光栅

当光束照射到衍射光栅上时，光束会被削弱，分裂成多个部分（衍射级），并朝不同的方向传播。对于线条光栅来说，光栅周期（线间距）决定了衍射光束的输出角度。衍射方向垂直于光栅线，且所有衍射级次的效率取决于光栅横截面轮廓的形状和高度。

上图衍射出瞳扩展的原理图。表面浮雕光栅将入射光衍射成多个衍射级次。方向由光栅周期的长度决定。如果角度足够大，则光将发生全内反射并在平板玻璃波导内部被捕获。然后可以通过另一个光栅逐步提取光，将初始光束扩展到所需的大小。

由于波导光栅的特征可能使光小于可见光的波长，因此表征光栅具有一定的挑战性。例如，光学显微镜无法通过分辨率或通量来准确表征大面积的AR波导光栅。

在理想的情况下，可以在整个光栅的表面区域上测量光栅线条的具体形状和方向。从原则上来说，可以用激光照射光栅并构造衍射仪以测量所有衍射级次的强度和角度。可以先通过合理的判断猜测光栅形状，然后解决所谓的逆衍射问题，根据测量数据计算出光栅轮廓。此外，还可采用干涉测量技术。

对于衍射波导光栅来说，要在波导内部捕获光并不容易。将棱镜通过折射率匹配与波导接触来可以实现这一目的，但是该方法不适用于大规模测试。此外，短周期光栅不会产生大量可测量的衍射级次。

确定光栅形状的最准确方法是用物理方法切割光栅并直接通过扫描电子显微镜（SEM）观察横截面轮廓。可惜的是，该方法会损坏研究样品，并且由于其速度较慢，只能用于表征给定光栅的一小部分，因此不能使SEM进行大规模质量测试。

三、周期和方向测量

幸运的是，AR显示器最重要的参数是衍射光束的方向，而方向仅受光栅周期和方位的影响，不受光栅轮廓与设计形状偏差的影响。为了表征这些性质，只需测量单个衍射级次的传播角度就已足够。甚至可以使用光栅反射的光（与波导内部捕获的光相反），以简化测量系统。原则上来说，仅需要光源、检测器以及测量它们之间的角度与光栅方向的方法。

当光通过波导中的几个光栅传播相对较长的距离时，光栅周期所需的公差可能会严格限制在皮米级。同样，光栅的相对方向也必须保证高度精确。OptoFidelity开发了能满足这些需求的自动化测试解决方案。如果光源和检测器分开放置，要以规定的精度测量它们之间的角度难度将非常大。一般克服这种限制可采用所谓的Littrow配置，其通过旋转光栅使相关的衍射级次反射回光源。利用分束器可以将光束转向摄像头。如果一开始通过观察光栅的直接反射来校准样品旋转台，我们将拥有精度非常高的衍射角测量系统。根据报告，Littrow衍射仪的周期测量精度低于10皮米。幸运的是，AR显示器最重要的参数是衍射光束的方向，而方向仅受光栅周期和方位的影响，不受光栅轮廓与设计形状偏差的影响。为了表征这些性质，只需测量单个衍射级次的传播角度就已足够。甚至可以使用光栅反射的光（与波导内部捕获的光相反），以简化测量系统。原则上来说，仅需要光源、检测器以及测量它们之间的角度与光栅方向的方法。

当光通过波导中的几个光栅传播相对较长的距离时，光栅周期所需的公差可能会严格限制在皮米级。同样，光栅的相对方向也必须保证高度精确。OptoFidelity开发了能满足这些需求的自动化测试解决方案。如果光源和检测器分开放置，要以规定的精度测量它们之间的角度难度将非常大。一般克服这种限制可采用所谓的Littrow配置，其通过旋转光栅使相关的衍射级次反射回光源。利用分束器可以将光束转向摄像头。如果一开始通过观察光栅的直接反射来校准样品旋转台，我们将拥有精度非常高的衍射角测量系统。根据报告，Littrow衍射仪的周期测量精度低于10皮米。

Littrow衍射仪准直光束照射到样品上，衍射光束反射回摄像头

只要样品台具有偏转、俯仰和旋转控制功能，除了光栅周期外，还可以通过相同的测量方式来确定线的方向。但是，由于测量结果是根据样品台编码器的读数计算得出，因此对机械精度要求很高。

目前，业内还没有对AR显示器的波导光栅配置进行标准化。OptoFidelity致力于满足客户的各种需求，已做好充分满足上述严格要求的准备，并已具备提供完整光栅测试解决方案的专业能力。

除了优化波导光栅之外，还需要验证整套AR显示器组件的最终成像性能。为此，OptoFidelity近期推出了OptoFidelity HMD IQ测试站，用于表征近眼显示器的整个视场。

HMD IQ

OptoFidelity HMD IQ是用于测试头戴式显示器的完整工作站。被测设备可以是包括图像源（显示器），投影光学器件（透镜）和波导的全近眼显示系统。使用HMD IQ，可以测试各种类型的增强现实和包括头盔在内的虚拟现实头戴设备的图像质量

四、关于作者

Janne Simonen

博士OptoFidelity Ltd.的光学工程师和技术主管

Simonen先生于2003年获得博士学位，研发出制造衍射光学元件的新方法。自此，他在约恩苏、坦佩雷和于韦斯屈莱大学中担任纳米光子学领域的研究人员，并曾在日本理化学研究所工作两年。他于2018年加入OptoFidelity，专门研究光学测试中面临的挑战，尤其是与AR/VR显示器相关的挑战。

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