【至格技術(shù)系列】走進AR衍射光波導(dǎo)——光柵設(shè)計

    如今，AR眼鏡極具發(fā)展?jié)摿σ殉蔀闃I(yè)內(nèi)共識，甚至有人認為AR眼鏡將會成為繼PC、智能手機后的下一代信息終端。然而目前AR眼鏡卻未能在消費端落地普及，一個很重要的原因就是產(chǎn)品不夠成熟，其核心部件顯示模塊仍存在技術(shù)瓶頸。

    從用戶需求角度來看，AR顯示模塊有三大關(guān)鍵點和發(fā)展趨勢：輕薄舒適、沉浸感強、價格合理。而基于傳統(tǒng)幾何光學(xué)原理的半透半反顯示方案和陣列光波導(dǎo)顯示方案都無法同時兼顧這三大關(guān)鍵點。為此，衍射光波導(dǎo)應(yīng)運而生，它同時具有輕薄、視場角大、眼動范圍大、量產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，因此被普遍認為是AR行業(yè)未來的主流顯示技術(shù)路線。

    也許對大多數(shù)人來說，衍射光波導(dǎo)還是一個陌生名詞，今天至格科技就帶大家一起走進神秘的衍射光波導(dǎo)。

01 什么是衍射光波導(dǎo)？

    雖然我們對衍射光波導(dǎo)還很陌生，但其實我們早已見過衍射光波導(dǎo)所利用的衍射效應(yīng)。比如前段時間北京上空出現(xiàn)的“七彩祥云”就是太陽光經(jīng)過云中的小水滴和小冰晶產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。

    衍射光波導(dǎo)，是利用光柵的衍射特性來設(shè)計“光路”，讓光在設(shè)計好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導(dǎo)入人眼。由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)的特征尺寸從傳統(tǒng)幾何光學(xué)的毫米級別提高到了現(xiàn)代衍射光學(xué)的微納米級別，因此對企業(yè)的微納光學(xué)設(shè)計和生產(chǎn)能力提出了更高級別的要求。

    通常事物都具有兩面性，技術(shù)也如此。衍射光波導(dǎo)的不足恰恰在于其特征尺寸與光波長相當(dāng)，所以對不同顏色的光非常敏感，極易出現(xiàn)色散問題，但這并非不能解決。衍射光波導(dǎo)技術(shù)目前仍屬于起步階段，未來前景不可限量。

    綜上所述，我們可以得知衍射光波導(dǎo)是利用光的衍射效應(yīng)，基于衍射光柵這一光學(xué)元件來實現(xiàn)AR效果。所以對于衍射光波導(dǎo)來說，光柵是最核心的部分。

    衍射光波導(dǎo)的研制流程主要分為三大環(huán)節(jié)：光柵設(shè)計、光柵母版加工、納米壓印生產(chǎn)。做一個形象的比喻，衍射光波導(dǎo)的生產(chǎn)就像是在生產(chǎn)餅干，首先需要設(shè)計出餅干上的圖樣（光柵設(shè)計），然后要根據(jù)設(shè)計精準制作出餅干模具（光柵母版加工），最后用這個模具批量“壓制”出餅干來（納米壓印生產(chǎn)）。當(dāng)然，在真正的衍射光波導(dǎo)的生產(chǎn)中，這種“模具”和“壓制”必須具有極復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和極高的精度。

    限于篇幅原因，本次主要講解光柵設(shè)計部分。（光柵母版加工和納米壓印生產(chǎn)將會在后期講解，敬請關(guān)注。）

02 光柵設(shè)計的概念與流程

    我們都知道獨具特色的黃土高原，經(jīng)過億萬年的風(fēng)沙洗禮、雨水沖刷，形成了有高峰有低谷的千溝萬壑。這就很像衍射光柵。

    ▲光柵掃描電鏡照片

    衍射光柵是具有周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，每一個周期可以是材料表面“雕刻”出來的高峰和低谷。而光柵設(shè)計就是通過合理優(yōu)化光柵的各項參數(shù)（例如周期、占空比、槽深、側(cè)壁傾角等），使光柵能夠滿足所需的光學(xué)性能。其本質(zhì)實際上是求解一個逆問題。

    什么是逆問題呢？

    一般來說，物理研究中的問題種類可以粗略分為兩種：正問題和逆問題。正問題是已知原因求結(jié)果，而逆問題就是已知結(jié)果反求原因。

    舉一個簡單的例子，求3+3等于幾？這就是一個正問題。求6等于幾加幾？這就是一個逆問題。通常正問題只有一個解，3+3=6。而逆問題則有多個解，比如6=0+6、6=1+5、6=2+4……這就是逆問題的多解性。由此可見，逆問題要比正問題難得多。

    既然我們知道了光柵設(shè)計是求解一個逆問題，那么就可以將光柵設(shè)計流程理解為根據(jù)結(jié)果（即想要的光學(xué)性能）尋找原因（即光柵參數(shù)）。

    顯然如果只有結(jié)果是很難找到原因的，因此光柵設(shè)計通常是從一個經(jīng)驗性的初始結(jié)構(gòu)開始的（這一步驟比較依賴經(jīng)驗），然后設(shè)置好目標函數(shù)（即如何評價想要的光學(xué)性能），最后根據(jù)各種最優(yōu)化算法將初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化到所需要的目標上去。

    從流程上看似乎很容易，然而想要實現(xiàn)卻非常難。需要具備很強的微納光學(xué)設(shè)計能力以及長期的光柵制作經(jīng)驗積累，才能做出理想的衍射光波導(dǎo)。這也是為什么很多想要切入衍射光波導(dǎo)領(lǐng)域的光學(xué)廠商實際進展非常緩慢的原因。

03 至格科技的領(lǐng)先優(yōu)勢

    經(jīng)過不斷地探索與研究，至格科技終于憑借多年積累的科研底蘊打破了技術(shù)瓶頸，形成了行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。

    自研光柵設(shè)計軟件，速度快、精度高、自由度高

    對于光柵設(shè)計而言，它的正問題就很不簡單。比如有一個光柵結(jié)構(gòu)，告訴你光的入射特性，求它被衍射出來的光的特性，這就是光柵的正問題。對于傳統(tǒng)幾何光學(xué)來說，光學(xué)元件的特征尺寸遠大于光波長，光可以被當(dāng)做光線處理，遵循幾何光學(xué)的折反射定律，因此正問題比較簡單。

    然而對于光柵來說，其特征尺寸與光波長相當(dāng)，不能再將光當(dāng)做光線來處理，同時也不再遵循幾何光學(xué)的折反射定律，而要把光當(dāng)做一種電磁波，通過嚴格的電磁場矢量計算來求解其衍射特性（即衍射光的方向、振幅、相位、偏振態(tài)等）。具體來講，就是要在光柵區(qū)域求解麥克斯韋方程組，這是一組偏微分方程，光柵的正問題就是尋找這組偏微分方程的解。而且它沒有一個具有表達式的解析解，只有通過巨量運算得到的數(shù)值解。

    至格科技研發(fā)部負責(zé)人表示：“針對光柵的正問題，我們自主掌握針對不同類型光柵的全套計算軟件，軟件算法來源于清華大學(xué)光柵與測量實驗室20余年的技術(shù)積累。相比大部分廠商所使用的商用軟件來說，我們自研的光柵設(shè)計軟件具有計算速度快、計算精度高、設(shè)計自由度高三大優(yōu)勢，不僅能夠快速、準確地完成光柵設(shè)計，而且還能設(shè)計很多商用軟件無法設(shè)計的復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)�！�

    最優(yōu)化算法解決逆問題，設(shè)計速度快

    針對光柵設(shè)計的逆問題，至格科技研發(fā)部負責(zé)人表示：“對于逆問題的多解性來說，我們不是用遍歷法去找解，而是開發(fā)了一套最優(yōu)化算法去尋找最優(yōu)解。簡單來講就是我們并不是把所有的解都找出來，而是先找到一個解，從一個初值開始，逐步對這個值進行優(yōu)化。通過最優(yōu)化提高計算效率，進而提升我們的設(shè)計速度�！�

    設(shè)計制造緊密配合，迭代速度快

    光柵設(shè)計除了要有很強的設(shè)計能力以外，還必須結(jié)合制造一起去做，畢竟就算設(shè)計再厲害如果做不出來就沒有意義。至格科技采用典型的IDM運作模式，集光柵設(shè)計、光柵母版加工、納米壓印生產(chǎn)三大業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)于一身，實現(xiàn)了設(shè)計與制造的緊密配合。在做光柵設(shè)計的時候可以兼顧到母版加工和生產(chǎn)制造的工藝能力，遇到問題能夠及時調(diào)整優(yōu)化，產(chǎn)品迭代速度非�？�，迭代一組參數(shù)最快僅需要一到兩周。