權衡的遊戲 | 衍射VS反射光導波

前言

最近SPIE（國際光學工程學會）舉辦了一個以AR/VR為主題的學術會議，包括微軟、英偉達、博世、Waveoptics、Digilens、肖特、康寧、HOYA、Jasper、聯想、麻省理工大學、Avegant和聯想等公司都參與了該會議。警長將就這些公司的一些最新進展做系列的解讀。上一篇警長介紹了Digilens公司CTO在會上的發言，今天警長帶著小夥伴一起研究一下Waveoptics公司CTO的發言。

光波導領域的 “後浪”是衍射光柵光波導，而“後浪”兩大前鋒當屬表面浮雕衍射光波導體和全息衍射光波導，兩者的代表公司分別是Waveoptics和上一篇文章提到的Digilens。前浪就比較多了，其中老當益壯的當屬反射光波導，代表公司是Lumus。

Waveoptics公司的CTO，Phil GreenHalgh博士演講的主題封面用的是《權力的遊戲》背景圖，而標題是則是“權衡的遊戲 ：衍射和反射光波導”，看封面都不知道這還是不是學術演講了。

材料封面

Phil博士介紹了背景，說大約一年前，聽了友商Lumus的一個關於反射波導的演講。Phil博士說這個演講是“Bullish”的。Bullish直譯為樂觀的，但在這個語境下可以理解為 “牛逼哄哄的”，這就有點火藥味了。

Phil博士說了背景之後就說自己今天的主題就是對比衍射波導和反射波導，但作為利益相關人，儘量用科學的方法和工具保持公正。好，話不多說，下面一一給大家放映PPT。文章最後部分再做評論。

兩家公司出產的衍射波導和反射波導的外形，左圖就是Phil博士本尊

特意選用了兩家公司看起來主要效能接近的產品，解析度都是720p

將對比7個領域，6個領域是引數化的定量的，另外一個“適應性和量產能力”是定性的。定量的6個引數分別是視場一致性、能效、視場角、眼盒、色彩一致性、對比度。

說明測試方法

視場一致性，左圖為衍射光波導，右圖為反射光波導。衍射波導視場相對均勻，視場中間位置亮度為940尼特，邊角為300尼特。而反射波導中間高達1550尼特，但是周邊就只有40尼特，視場一致性遠不及衍射波導。另外博士提到，其實這裡用衍射波導的還是Waveoptics早期的產品，實際上新產品的視場一致性遠遠好於材料中的產品。

在能效方面，反射光波導的能效幾乎為衍射波導的兩倍

iFOV概念

第三對比引數是視場角FOV。博士認為傳統的FOV概念無法很好的表徵波導片的效能，傳統FOV表徵的是幾何範圍，但實際上這個範圍把看不見看不清的區域也算進去了。為此引入了iFOV的概念，即瞬時視場角。

這張圖詮釋了iFOV的概念以及和眼盒之間的關係。衍射波導在整個水平掃描範圍內都是均勻的，而反射波導的視場角是一條曲線，在中間位置效能相對好（但也比衍射波導差），而在邊緣位置則效能嚴重衰減。

色彩一致性對比

第五個對比引數是色彩一致性。在沒有經過色彩校正的情況下，衍射波導的色彩一致性明顯比反射波導差。

電子修正後的色彩一致性

但好在色彩一致性是可以透過電子方式進行增強的，增強後的衍射波導色彩一致性得到了很好的改進。

對比度測試

第六個引數是對比度，在ANSI16測試中，衍射波導為47：1，而反射波導僅為28：1。如果考慮到反射波導的視場一致性問題，反射波導邊緣的對比度更差。

綜合對比

效能引數上，在體積和光效方面，反射光波導獲勝（紅線），而在視場角、眼盒、瞳距和色彩一致性方面，衍射光波導獲勝。在應用中需要權衡是光效率更重要還是色彩更重要？另外需要考慮平衡實際用例，需要綜合考慮設計的靈活性。

光波導的應用靈活性。衍射波導和光機之間的適配相當靈活，光機可以在側面也可以在上面，另外入射的角度可以是直射也可以是斜射，此外，光機能夠在光波導的外側和內側進行入瞳。而這些對於反射波導來說很難實現。

反射波導生產工藝複雜，良率低

反射波導的量產工藝比較複雜，生產“平均水準”的波導相對容易而且成本低，但是生產優質的產品則很難。而且由於工藝的特點，很難進行大規模自動化生產。

衍射光柵光波導採用奈米壓印工藝

衍射波導的生產採用的是半導體工藝，奈米壓印技術初期投入大，難度高，成本高，但量產後成本大幅降低，而且可以保證高質量及一致性，且產量極大。

總結

評論

Waveoptics作為光波導的“後浪”代表，並沒有和另外一個後浪體全息光波導相比，但卻和前浪做比較，這裡的原因很多。一方面體全息衍射光波導到現在還沒有個成型的量產方案，而表面浮雕光柵技術已經比較成熟，具備實際的量產能力也已經在批次供貨。兩個後浪，一個在紙面上一個已經實戰了，因此能實戰的一方並沒有必要和紙面上的東西做對比。另外一方面，作為前浪的反射光波導，實實在在的佔據了一部分市場，而且還老當益壯。作為新興力量的代表，為了搶奪前浪的市場，Waveoptics必然需要刺刀見紅正面剛。

演講內容來自SPIE，演講版權歸屬原作者，原文請見：https：//www。spiedigitallibrary。org/conference-proceedings-of-spie/11310/113102F/Diffractive-and-Reflective-Waveguides——A-Game-of-Trade-Offs/10。1117/12。2563728。full