想象一下，戴上一副眼镜，就能将数字世界无缝融入现实。这不是科幻小说，而是正在发生的科技革命。近日，Meta发布了代号“Orion”的AR光波导眼镜原型机，再度点燃了AR眼镜的热度，让我们对AR眼镜的未来充满了期待。从Google Glass到微软的Hololens，再到Meta Orion，巨头公司纷纷投入重金研发，预示着AR眼镜将成为我们日常生活的一部分，国内外大小公司也纷纷跟进，发布最新产品。那么现在，就让我们来看一下最近发布的几款热门AR眼镜都带来了哪些新技术。
Meta Orion
2024年9月26日，Orion原型机正式亮相Meta Connect大会。Meta首席技术官安德鲁·博斯沃思曾Orion将成为消费电子领域前所未有的先进产品。据悉，该款眼镜造价不菲，每台成本超一万美元，只生产了约1000台，并且仅对公司员工和部分第三方受众开放使用。
Meta Orion眼镜及其计算模块和神经腕带
（图源：Meta官网）
Orion一经发布就在网络上引起热议，不少业内人士都对此款眼镜采用的技术进行了深度剖析。公开资料显示，此款眼镜光波导设计基于Meta的专利US20240179284A1，[1]主要有以下三大亮点：(1)碳化硅波导材料；(2)双面刻蚀表面浮雕光栅；(3)超大视场角。
Meta专利图和碳化硅晶圆上的镜片
（图源：US patent 20240179284A1，Meta官网）
碳化硅的折射率高于传统高折射率玻璃（~2.6对比~1.9），而密度更低（3.2g/cm3对比3.6g/cm3），因此可以用更轻的重量实现更大的视场角（Orion实现了70°视场角，而业界同类产品通常仅有30-50°）。而在碳化硅晶圆两侧刻蚀表面浮雕光栅，则为AR眼镜的光学设计提供了更大的自由度。新材料和新技术使用的背后是巨大的成本投入，据悉一片用于光波导的4英寸SiC晶圆的价格在500美元左右，而双面刻蚀则意味着极低的生产良率，这也是Orion仅生产了1000台的主要原因。
慕德微纳
9月24日，由西湖大学孵化的慕德微纳同样也发布了基于碳化硅材料的AR光波导眼镜。该团队使用碳化硅镜片实现了视场角为30度，且无彩虹纹的单片全彩AR显示，镜片重量和厚度分别仅为2.7克和0.55毫米。
慕德微纳AR眼镜，和直光栅SEM图
（图源：西湖大学官网，慕德微纳官网）
根据该团队成员在arXiv发表的学术文章，该眼镜波导镜片的制作采用了一种纳米压印lift-off的工艺，将金属掩膜图案大规模转移到碳化硅晶圆表面，从而通过干法刻蚀的方法在碳化硅晶圆上刻写衍射光栅。[2]光栅被分为三个区域，都具有相同的262nm的光栅周期，但每个区域的占空比和光栅高度不同，以分别实现耦入、扩瞳和耦出的功能。
此外，该团队还开发了一种超薄封装方法，利用旋涂和沉积工艺先后将保护膜和抗反射膜附着在晶圆表面，形成类似“三明治”的结构，并最终用激光切割制成镜片形状，最终实现了该款眼镜的极致轻薄。
平行视界 “云雀”
2024年9月，业界首款基于偏振体全息光栅(PVG, Polarized Volume Grating)技术的AR光波导眼镜“云雀”亮相深圳光博会。该款眼镜由东南大学团队成立的平行视界研发，联合立讯精密共同打造。
“云雀”AR眼镜（图源：中新网）
该AR眼镜的耦入耦出结构由一层2μm的倾斜胆甾相液晶层构成。胆甾相液晶的周期性螺旋结构形成布拉格光栅，使得光线入射到该液晶层时，将依据布拉格公式发生偏转。但当入射角接近平行于布拉格反射面时，光线不再发生偏转而是直接透过，此时光栅层的作用接近于波片。因此当波片厚度正好满足半波条件时，入射的右旋圆偏光将被转换为左旋偏振光，研究者称这一现象为反常偏振转换现象。[3]
PVG的反常偏振转换现象以及和VHG的原理对比
（图源：Light: Science & Applications）
在传统的体全息光栅(VHG, Volume Holographic Grating)光波导中，入射光在第二次遇到体全息光栅层时将会进入光栅层并被耦合出光波导，导致能量损失。而偏振体全息光栅则有效地避免了这一问题。通过偏振体全息光栅的反常偏振转换特性，进入光栅层的光将不会被耦合出光波导，而是被反射回光波导并继续沿波导传输，从而避免能量损失，提高光效和图像均匀性。
总结与展望
在探索AR眼镜的未来蓝图中，我们正见证着一系列基本需求的逐渐明晰化。这些需求包括更轻盈、更纤薄的机身设计，更广阔的视场角，以及更高的光学效率和更均匀的视场分布。尽管如此，无论是表面浮雕光波导、体全息光波导还是阵列反射光波导技术，它们在设计、材料和制造工艺方面都面临着亟待攻克的技术难题。
随着越来越多的企业将加入这场AR技术的创新竞赛，相关技术的突破也会越来越快。这些技术的进步不仅将为用户带来更加沉浸和舒适的体验，也将为AR眼镜的未来发展铺平道路。
参考资料
[1] US patent 20240179284A1, “DUAL-PATH DISPARITY SENSOR”.
[2] Chen, Boqu, et al. "Ultra-Thin, Ultra-Light, Rainbow-Free AR Glasses Based on Single-Layer Full-Color SiC Diffrcative Waveguide." arXiv preprint arXiv:2409.14487 (2024).
[3] Ding, Yuqiang, et al. "Breaking the in-coupling efficiency limit in waveguide-based AR displays with polarization volume gratings." Light: Science & Applications 13.1 (2024): 185.
来源：水晶光电
