光波導(dǎo)這三個(gè)字做近眼顯示的人幾乎天天掛在嘴邊但真要讓一個(gè)剛?cè)胄械墓こ處煱堰@件事講透——它到底解決了什么問(wèn)題、不同路線之間差在哪、拿到一塊波導(dǎo)片該怎么驗(yàn)收、量產(chǎn)為什么這么難、裝進(jìn)整機(jī)后又有哪些坑——能一次講清楚的人其實(shí)不多。這篇總結(jié)是我自己這幾年測(cè)波導(dǎo)樣片、跟供應(yīng)商對(duì)規(guī)格書、跑整機(jī)驗(yàn)證和產(chǎn)線導(dǎo)入攢下來(lái)的筆記型內(nèi)容從原理到路線從驗(yàn)收方法到量產(chǎn)工藝再到系統(tǒng)集成和選型思路一次性梳理出來(lái)。適合產(chǎn)品經(jīng)理、結(jié)構(gòu)工程師、光學(xué)方向的新人以及所有準(zhǔn)備把AR眼鏡從演示樣機(jī)往可量產(chǎn)產(chǎn)品推的朋友。1. 為什么光波導(dǎo)值得專門寫一篇總結(jié)1.1 近眼顯示的光學(xué)方案之爭(zhēng)最后大多收斂到波導(dǎo)AR眼鏡要做的事情本質(zhì)上是把微型顯示屏上的圖像“搬”到人眼正前方同時(shí)又不遮擋現(xiàn)實(shí)世界。聽起來(lái)簡(jiǎn)單做起來(lái)極其別扭。早年的方案基本逃不過(guò)三選一棱鏡、自由曲面、Birdbath。棱鏡方案的視場(chǎng)角小光機(jī)頂在眼前像掛了個(gè)小望遠(yuǎn)鏡自由曲面能做到比較大的視場(chǎng)和較好的畫質(zhì)但鏡片又厚又重形態(tài)上離普通眼鏡差得很遠(yuǎn)Birdbath結(jié)構(gòu)光路折疊效率低環(huán)境光透過(guò)率也差白天出門基本看不清屏幕。光波導(dǎo)之所以能成為主流方向核心在于它把整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)“壓扁”在了一片透明薄片里。圖像光從邊緣的光機(jī)射入波導(dǎo)片在片子里經(jīng)過(guò)一系列全反射再?gòu)难劬η胺降膮^(qū)域耦合出來(lái)。于是從外觀上看AR眼鏡可以做到接近普通眼鏡的形態(tài)光機(jī)可以藏在鏡腿或鏡框上鏡片大面積保持透明。這是其他方案都很難同時(shí)做到的。1.2 我在這份總結(jié)里會(huì)展開哪些問(wèn)題很多人接觸光波導(dǎo)的時(shí)候最頭疼的不是參數(shù)而是概念本身。什么是幾何波導(dǎo)什么是衍射波導(dǎo)衍射里面又有表面浮雕和體全息這些名字分別對(duì)應(yīng)什么結(jié)構(gòu)為什么說(shuō)衍射波導(dǎo)好看但量產(chǎn)難為什么規(guī)格書上的FOV和實(shí)際戴上的視野總是對(duì)不上為什么波導(dǎo)片成像邊緣偏色、有彩虹條紋這些問(wèn)題如果只是零散看廠商PPT很容易被繞進(jìn)去因?yàn)槊考业目趶讲灰粯由踔镣粋€(gè)詞在不同語(yǔ)境下含義都有差異。這份總結(jié)就是要把這些概念捋直。我會(huì)先講清楚波導(dǎo)工作的物理基礎(chǔ)再把四條主要技術(shù)路線逐一拆開接著給出我實(shí)際的驗(yàn)收方法然后聊量產(chǎn)工藝和整機(jī)集成最后給出一套可以拿去用的選型思路。寫的過(guò)程中我會(huì)盡量說(shuō)人話涉及到公式和參數(shù)的地方也會(huì)解釋它到底影響什么。2. 一塊薄玻璃如何把圖像送進(jìn)眼睛全反射、耦入與擴(kuò)瞳2.1 光線在薄片里的“折返跑”全反射原理要理解光波導(dǎo)先得理解全反射。想象你站在泳池邊看水下當(dāng)光線從水射向空氣、入射角超過(guò)臨界角時(shí)它不會(huì)穿出水面而是全部彈回水里這就是全反射。光波導(dǎo)的思路完全一樣把圖像光射進(jìn)一塊透明的玻璃或樹脂薄片只要光在內(nèi)部與表面法線的夾角足夠大它就會(huì)在上下兩個(gè)表面之間反復(fù)彈射像打水漂一樣沿著薄片向前傳播。這里有一個(gè)非常關(guān)鍵的公式全反射臨界角θc arcsin(n? / n?)其中n?是波導(dǎo)材料的折射率n?是外部介質(zhì)通常是空氣n≈1的折射率。波導(dǎo)材料折射率越高允許在內(nèi)部傳播的光線角度范圍就越大意味著光機(jī)能夠耦入的圖像角度也越大最終體現(xiàn)為視場(chǎng)角更大。所以你會(huì)看到現(xiàn)在做波導(dǎo)的高折射率玻璃越來(lái)越受重視常見的規(guī)格逐步從1.5級(jí)做到1.7、1.8甚至更高。用生活類比的話就是水越“稠”光線越不容易逃出去在里面的轉(zhuǎn)彎空間就越大。但折射率不是越高越好。越高折射率的材料色散往往越明顯白光經(jīng)過(guò)不同波長(zhǎng)會(huì)略微分家邊緣出現(xiàn)色邊同時(shí)高折射率材料的加工成本、鍍膜工藝難度也水漲船高。這是我反復(fù)在項(xiàng)目里遇到的第一個(gè)平衡FOV想要的越大材料成本就越高畫質(zhì)校正的活也越重。2.2 耦入、傳輸、耦出光波導(dǎo)的三段式結(jié)構(gòu)一片波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)通常分三個(gè)環(huán)節(jié)耦入傳輸耦出。光機(jī)里微顯示屏發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直和成像光學(xué)之后先抵達(dá)波導(dǎo)邊緣的耦入?yún)^(qū)域。耦入結(jié)構(gòu)可以是棱鏡、反射面或者光柵作用是把光“掰”進(jìn)波導(dǎo)片使光線在內(nèi)部滿足全反射條件。光進(jìn)入波導(dǎo)后在上下表面之間不斷全反射前進(jìn)這個(gè)階段叫傳輸。最后到達(dá)眼睛前方的耦出區(qū)域再用對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)把一部分光從波導(dǎo)里“引”出來(lái)進(jìn)入人眼。耦入結(jié)構(gòu)的放置方式?jīng)Q定了整機(jī)的外觀。最常見的設(shè)計(jì)是把耦入?yún)^(qū)放在鏡片外側(cè)靠近鏡腿的位置這樣光機(jī)順理成章藏在鏡腿里從正面看鏡片依然是透明的。還有一些設(shè)計(jì)把耦入?yún)^(qū)放在鏡片下方光機(jī)藏在鏡框底部適合更偏工業(yè)風(fēng)格的產(chǎn)品。無(wú)論哪種耦入?yún)^(qū)都是光機(jī)與波導(dǎo)之間唯一的機(jī)械和光學(xué)接口這里的公差控制直接決定最終畫面的穩(wěn)定性。2.3 擴(kuò)瞳為什么眼睛偏移了還能看到畫面如果你只用一塊平行平板做傳輸沒(méi)有擴(kuò)瞳結(jié)構(gòu)那么眼睛必須死死對(duì)準(zhǔn)一個(gè)很小的出瞳位置稍微偏一點(diǎn)畫面就消失。這對(duì)AR眼鏡來(lái)說(shuō)是致命傷因?yàn)槿搜蹠?huì)不自覺(jué)地轉(zhuǎn)動(dòng)每個(gè)人的瞳距也不一樣不可能讓所有用戶都把瞳孔精確停在一個(gè)點(diǎn)上。波導(dǎo)方案里最巧妙的地方就是通過(guò)耦出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“擴(kuò)瞳”。幾何波導(dǎo)的做法是在波導(dǎo)內(nèi)部埋入一串平行的半透半反鏡面。光線每經(jīng)過(guò)一個(gè)鏡面就有一部分被反射出來(lái)進(jìn)入人眼剩下部分繼續(xù)向前于是眼睛在橫向方向移動(dòng)到不同位置時(shí)總能遇到下一面反射鏡看到的還是同一個(gè)圖像只是路徑不同。衍射波導(dǎo)的原理類似但用的是光柵光在耦出光柵上每次經(jīng)過(guò)都會(huì)衍射一部分出波導(dǎo)剩余繼續(xù)傳播從而也形成一連串出瞳。這個(gè)機(jī)制帶來(lái)的直接體驗(yàn)是戴上眼鏡后眼球在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)都不會(huì)丟失畫面不同臉型、不同瞳距的人都能找到合適的觀看位置。擴(kuò)瞳范圍越大、越均勻佩戴舒適性越好。這也是波導(dǎo)方案相較棱鏡和Birdbath最本質(zhì)的體驗(yàn)優(yōu)勢(shì)——它用一片玻璃解決了“眼睛必須對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)”的問(wèn)題。3. 主流技術(shù)路線盤點(diǎn)幾何波導(dǎo)與衍射波導(dǎo)的取舍3.1 幾何光波導(dǎo)一半靠鍍膜一半靠膠合幾何光波導(dǎo)里最主流的是陣列反射光波導(dǎo)。它的核心是一片內(nèi)部?jī)A斜排列著多個(gè)半透半反鏡面的玻璃。從耦入?yún)^(qū)進(jìn)來(lái)的光線在波導(dǎo)內(nèi)全反射傳給各個(gè)鏡面每個(gè)鏡面拿出其中一部分光反射到人眼其余繼續(xù)前進(jìn)。因?yàn)槊看畏瓷涠疾灰胙苌浞止鈳缀尾▽?dǎo)的色彩還原通常是最好的白光進(jìn)入、白光出來(lái)幾乎沒(méi)有色散。為了做大視場(chǎng)角陣列波導(dǎo)往往需要更多的內(nèi)部鏡面每個(gè)鏡面負(fù)責(zé)不同的角度分區(qū)。鏡面數(shù)量一多波導(dǎo)片沿眼睛看的方向厚度就會(huì)增加。我接觸過(guò)的幾代樣品從早期的十幾毫米厚到后來(lái)的幾毫米厚厚度差異主要還是來(lái)自于鏡面排布設(shè)計(jì)和基底材料折射率的提升。偏振反射光波導(dǎo)是另一個(gè)分支它用偏振選擇性膜層代替普通半透半反膜光線靠偏振旋轉(zhuǎn)有選擇地被反射和透射結(jié)構(gòu)上能做得更薄但偏振光經(jīng)過(guò)多輪反射后偏振態(tài)容易變化效率和鬼像控制比陣列反射更難一些。幾何波導(dǎo)的難點(diǎn)總結(jié)起來(lái)就一句話鍍膜和膠合。幾十層膜面每層的反射率、透過(guò)率、膜厚都要精確控制任何一層出問(wèn)題整片波導(dǎo)的均勻性就完蛋。這直接決定了它的生產(chǎn)成本降不下來(lái)良率提升慢。3.2 衍射光波導(dǎo)用光柵換形態(tài)衍射光波導(dǎo)不需要在玻璃里埋鏡面而是在波導(dǎo)表面或內(nèi)部做光柵結(jié)構(gòu)。光柵的本質(zhì)是很多微小周期性條紋作用相當(dāng)于把光線“掰彎”到不同方向。表面浮雕光柵SRG是在波導(dǎo)表面刻出納米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)通過(guò)納米壓印工藝可以大規(guī)模復(fù)制是目前衍射路線里量產(chǎn)成熟度最高的一個(gè)分支。體全息光柵VHG是在波導(dǎo)材料內(nèi)部記錄一種折射率周期性變化的“體光柵”像在玻璃內(nèi)部“印”了一層看不見的條紋。衍射波導(dǎo)最大的好處是形態(tài)自由度高光柵可以做得很薄容易貼合眼鏡片的彎曲單片甚至能做成全彩顯示整體厚度可以控制在兩毫米以內(nèi)這讓它成為消費(fèi)級(jí)AR眼鏡最被看好的方向。但衍射波導(dǎo)的代價(jià)也很現(xiàn)實(shí)。首先是色散光柵對(duì)不同波長(zhǎng)的衍射角不同白光進(jìn)去會(huì)被拉開畫面邊緣容易出現(xiàn)彩虹紋和色邊所以衍射波導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)要專門做色散補(bǔ)償或者用多層光柵疊加。其次是均勻性光在波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)每經(jīng)過(guò)一次耦出光柵就損失一部分能量離耦入端越遠(yuǎn)亮度越低需要在光柵衍射效率的空間分布上做精細(xì)設(shè)計(jì)把光“分配”得盡量均勻。第三是效率天花板衍射過(guò)程的能量損失比幾何鏡面反射高入眼亮度通常要低一截光機(jī)功耗和散熱壓力更大。3.3 四條路線的橫向?qū)Ρ群芏嗯笥褑?wèn)到底哪條路線好我的回答永遠(yuǎn)是沒(méi)有絕對(duì)好壞只有成本、形態(tài)、畫質(zhì)和可靠性的權(quán)衡。下面這張表是我自己梳理方案時(shí)的習(xí)慣格式等級(jí)和區(qū)間只是常見樣品水平不代表所有供應(yīng)商技術(shù)路線典型FOV表現(xiàn)色彩還原鏡片厚度量產(chǎn)成熟度主要難點(diǎn)陣列反射幾何波導(dǎo)中到大好偏厚中高鍍膜膠合良率偏振反射幾何波導(dǎo)中較好薄中偏振光損耗、鬼像表面浮雕衍射波導(dǎo)中到大一般需補(bǔ)償很薄高色散、均勻性體全息衍射波導(dǎo)小到中單色好全彩難很薄低材料穩(wěn)定性、全彩工藝選型的時(shí)候我習(xí)慣再追問(wèn)一句你的產(chǎn)品更看重眼鏡形態(tài)還是更看重畫質(zhì)和成本答案基本能幫你排除掉一半選項(xiàng)。4. 拿到樣片怎么驗(yàn)收FOV、眼盒、均勻性等指標(biāo)的實(shí)測(cè)方法4.1 FOV、眼盒和出瞳距離到底怎么讀波導(dǎo)規(guī)格書里最常見也最容易騙人的指標(biāo)是視場(chǎng)角。有些廠商標(biāo)的對(duì)角線視場(chǎng)角能到五十多度但人眼實(shí)際能看到的水平視場(chǎng)可能只有三十幾度。不同產(chǎn)品在宣傳時(shí)口徑不一致有的寫對(duì)角有的寫水平有的甚至寫的是“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)值”而不是實(shí)際可觀看值。我現(xiàn)在的習(xí)慣是拿到樣片先問(wèn)清楚FOV標(biāo)注的是水平、垂直還是對(duì)角再看是理論值還是實(shí)測(cè)值最好直接要求對(duì)方提供實(shí)測(cè)方式和截圖。眼盒Eye Box這個(gè)指標(biāo)也很容易產(chǎn)生歧義。它表示人眼在空間哪個(gè)范圍內(nèi)移動(dòng)還能看到完整畫面。常見的規(guī)格書寫法比如“15mm×10mm×10mm”意思是橫向、縱向、深度方向上的多長(zhǎng)距離內(nèi)畫面都能保持基本完整。眼盒越大佩戴容錯(cuò)越好。但眼盒和FOV是互相制衡的光通量守恒擺在那里同一個(gè)波導(dǎo)上想把視場(chǎng)做大眼盒就會(huì)變小反之亦然。所以看到規(guī)格書上FOV和眼盒都特別漂亮的時(shí)候要警惕是不是用了極端的設(shè)計(jì)條件。出瞳距離Eye Relief指的是人眼角膜到波導(dǎo)表面的距離。戴近視鏡的用戶對(duì)這項(xiàng)要求很高一般需要18mm以上才方便佩戴眼鏡使用。如果出瞳距離過(guò)短睫毛就會(huì)刷到鏡片很影響體驗(yàn)。4.2 均勻性、透過(guò)率和鬼像檢查一個(gè)波導(dǎo)畫質(zhì)好不好除了分辨率最重要的其實(shí)是均勻性。我在暗室用均勻光源點(diǎn)亮耦入?yún)^(qū)用亮度計(jì)在耦出區(qū)打點(diǎn)掃描時(shí)經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)中間亮兩邊暗、或者某一條帶狀區(qū)域特別亮的問(wèn)題。波導(dǎo)的亮度不均來(lái)源很多光柵衍射效率分布不合理、全反射路徑長(zhǎng)短差異、膜層一致性差等。驗(yàn)收時(shí)我一般算一個(gè)比值取畫面中心亮度和邊緣亮度的差占中心亮度的百分比視覺(jué)上小于20%基本可接受超過(guò)30%就會(huì)比較明顯。透過(guò)率直接影響AR眼鏡作為“眼鏡”的可用性。你可以把波導(dǎo)片舉到眼前透過(guò)它看遠(yuǎn)處景物如果透過(guò)率過(guò)低或者有霧感用戶戴著出門會(huì)覺(jué)得眼前隔了一層紗。不過(guò)要提醒一點(diǎn)透過(guò)率和顯示亮度之間也存在取舍很多廠商會(huì)在波導(dǎo)片外表面加灰度調(diào)節(jié)相當(dāng)于給鏡片加墨鏡這在戶外使用場(chǎng)景是有意為之。鬼像和雜散光也需要專門檢查。景象是光在波導(dǎo)內(nèi)部走了非預(yù)期路徑后形成的重影通常在對(duì)比度高的畫面邊緣最容易看到。檢查方法不復(fù)雜讓一個(gè)高亮白色小點(diǎn)在暗背景上顯示肉眼觀察周圍有沒(méi)有幽靈般的殘影。體全息和偏振方案中鬼像問(wèn)題會(huì)更突出。4.3 我的實(shí)測(cè)流程和替代方案我的標(biāo)準(zhǔn)流程是這樣先把波導(dǎo)片固定在光學(xué)平臺(tái)上光機(jī)點(diǎn)亮用平行光管或準(zhǔn)直系統(tǒng)確認(rèn)圖像是遠(yuǎn)像再用相機(jī)和人眼分別觀察耦出區(qū)。相機(jī)端會(huì)拍攝不同灰階下的亮度分布圖軟件換算均勻度人眼端則用來(lái)補(bǔ)相機(jī)拍不到的動(dòng)態(tài)范圍和主觀色彩感受。然后我會(huì)做一組眼球掃視測(cè)試把眼睛貼近眼盒范圍內(nèi)的不同位置快速移動(dòng)看畫面是否有閃爍或亮度突變。很多團(tuán)隊(duì)沒(méi)有光學(xué)平臺(tái)我提供一個(gè)低成本替代方案用手機(jī)相機(jī)的RAW模式拍攝波導(dǎo)耦出畫面導(dǎo)入圖像處理軟件看亮度偽彩色圖。同時(shí)在畫面里放幾個(gè)不同灰階的色塊觀察低灰階下明顯出現(xiàn)的條紋或亮斑。這個(gè)小方法雖然不如亮度計(jì)精確但在方案快速篩選階段非常夠用能幫你篩掉一大半不均勻的樣品。5. 量產(chǎn)階段真正的硬骨頭鍍膜、光柵復(fù)制與良率5.1 幾何波導(dǎo)的鍍膜和膠合工序多一步良率降一截幾何波導(dǎo)的制造鏈條非常長(zhǎng)先要把玻璃基底加工到很高的面形精度然后在內(nèi)部鏡面位置鍍上幾十層半透半反膜最后把兩半玻璃通過(guò)光學(xué)膠合在一起。聽起來(lái)簡(jiǎn)單但每個(gè)環(huán)節(jié)都有良率殺手。鍍膜時(shí)膜厚的均勻性直接決定反射率的一致性哪怕是幾個(gè)納米的偏差在經(jīng)過(guò)十幾次反射后都會(huì)被放大成明顯的亮度差異。膠合環(huán)節(jié)更考驗(yàn)工藝。兩片玻璃之間要灌膠、固化、加壓如果膠層里有氣泡或者厚度不均光線經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉條紋肉眼看上去就是一片片彩色的“水波”。我踩過(guò)最深的坑是在高溫高濕測(cè)試中一批幾何波導(dǎo)的膠層邊緣出現(xiàn)發(fā)霧現(xiàn)象畫面清晰度明顯下降。后來(lái)排查下來(lái)是膠水和基底材料在濕熱條件下的膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的。這個(gè)教訓(xùn)告訴我們選型和批量化時(shí)不能只看常溫光學(xué)性能必須做環(huán)境可靠性驗(yàn)證。良率可以簡(jiǎn)單算一筆賬假設(shè)一次鍍膜工序良率95%一片波導(dǎo)需要12個(gè)有效膜面單是膜面相關(guān)的綜合良率就是0.95的12次方約54%。再加上膠合、切割、拋光等工序最終整片良率可能不到30%。這就是幾何波導(dǎo)成本居高不下的核心原因——不是材料貴而是工藝鏈太長(zhǎng)、每一步都在折損。5.2 衍射波導(dǎo)的母版和壓印前期貴后期靠復(fù)制攤平表面浮雕光柵的量產(chǎn)邏輯和芯片有點(diǎn)像先花大價(jià)錢把母版做出來(lái)然后用納米壓印的方式“復(fù)制”到樹脂基底上。母版的制作要用電子束光刻或全息光刻光柵周期通常在幾百納米量級(jí)周期誤差要控制到納米級(jí)一次做壞的代價(jià)非常大。但母版做完之后單片復(fù)制成本反而低因?yàn)閴河∈穷愃粕w章的工藝材料成本遠(yuǎn)低于母版制備。納米壓印的難點(diǎn)在于復(fù)制過(guò)程中的缺陷控制。樹脂里的微小氣泡、脫模時(shí)的應(yīng)力、壓印膠殘留層厚度不均都會(huì)造成衍射效率波動(dòng)。光柵表面受污染后極難清潔納米結(jié)構(gòu)非常脆弱用無(wú)塵布擦一下基本就報(bào)廢。所以在衍射波導(dǎo)的生產(chǎn)車間靜電防護(hù)和潔凈度管理很重要。我見過(guò)一批樣品因?yàn)閴河…h(huán)境濕度沒(méi)控制好表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋整批報(bào)廢。體全息路線更特殊。它在材料內(nèi)部記錄光柵不需要表面微結(jié)構(gòu)理論上可以做得非常薄、非常透明但記錄材料的穩(wěn)定性是老大難。光敏聚合物在紫外光照射、高溫、高濕環(huán)境下折射率調(diào)制強(qiáng)度會(huì)緩慢退化彩虹色也會(huì)慢慢漂移。所以體全息波導(dǎo)出廠時(shí)指標(biāo)可能很漂亮但可靠性和壽命驗(yàn)證周期特別長(zhǎng)這也是它還沒(méi)有大規(guī)模進(jìn)入消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的原因之一。5.3 材料一致性與應(yīng)力雙折射無(wú)論哪條技術(shù)路線波導(dǎo)基底材料的一致性都會(huì)影響量產(chǎn)。同批次材料折射率波動(dòng)、應(yīng)力分布不均會(huì)造成雙折射光線在不同偏振方向上的行為不一致最終表現(xiàn)為畫面局部發(fā)暗或偏色。我這里有一條選供應(yīng)商的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)拉通批次一致性數(shù)據(jù)要求對(duì)方提供多點(diǎn)折射率測(cè)試記錄而不是只看一片樣品的中心值。玻璃基底的翹曲也是一個(gè)隱蔽問(wèn)題。波導(dǎo)片越做越薄翹曲量對(duì)成像的影響越明顯尤其是膠合裝進(jìn)鏡架之后應(yīng)力會(huì)把波導(dǎo)“擰成”一個(gè)曲面全反射條件被破壞畫面邊緣會(huì)崩掉。所以我每次打樣之后都會(huì)測(cè)一片“裝配后狀態(tài)”的畫面質(zhì)量而不是只測(cè)裸片。6. 從波導(dǎo)片到完整體驗(yàn)系統(tǒng)集成的公差、漏光與可靠性6.1 光機(jī)與耦入?yún)^(qū)的對(duì)準(zhǔn)公差微米級(jí)不是玄學(xué)光機(jī)發(fā)出的光必須精確打中波導(dǎo)的耦入?yún)^(qū)角度和位置稍有偏差就會(huì)影響圖像位置和亮度。做整機(jī)時(shí)光機(jī)和波導(dǎo)之間的位置公差通常要求控制在亞毫米甚至微米級(jí)角度誤差不能超過(guò)零點(diǎn)幾度。這對(duì)結(jié)構(gòu)件的精度要求非常高注塑件很難滿足往往需要設(shè)計(jì)精密調(diào)整結(jié)構(gòu)或在裝配時(shí)做主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)是我強(qiáng)烈推薦的做法。具體操作是組裝時(shí)先把波導(dǎo)固定在臨時(shí)支架上點(diǎn)亮光機(jī)用一部對(duì)準(zhǔn)好的相機(jī)或測(cè)試人員直接觀察耦出畫面同時(shí)用六軸調(diào)整臺(tái)微調(diào)光機(jī)的位置和傾斜找到畫面最清晰、亮度最均勻的點(diǎn)然后點(diǎn)UV膠固化。這個(gè)過(guò)程像流水線上的調(diào)音師機(jī)器看著畫面一點(diǎn)點(diǎn)擰螺絲直到畫面滿意為止。量產(chǎn)時(shí)通常用視覺(jué)定位系統(tǒng)代替人眼但原理一樣。6.2 漏光、環(huán)境光串?dāng)_和防眩處理波導(dǎo)片是大面積透明區(qū)域環(huán)境光不會(huì)只從正面進(jìn)來(lái)側(cè)面、背部、來(lái)自地面和天空的反射光都可能被耦出結(jié)構(gòu)意外衍射到人眼造成屏幕對(duì)比度下降。應(yīng)對(duì)思路主要有幾種選擇合適的光柵角度響應(yīng)特性讓光柵只對(duì)光機(jī)入射角敏感在波導(dǎo)表面加特定波段的反射膜或者干脆在鏡片外加可更換的墨鏡片。這些都需要按具體使用場(chǎng)景取舍。漏光還容易出現(xiàn)在光機(jī)和鏡框接縫處。光機(jī)亮度很高任何亞毫米級(jí)的縫隙都可能成為漏光源。晚上戴AR眼鏡時(shí)漏到鼻翼或額頭位置的光特別顯眼別人一眼就能看出來(lái)你在戴電子設(shè)備。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要留遮光臺(tái)階裝配之后最好在暗室檢查一遍漏光路徑。6.3 溫度、濕度和機(jī)械應(yīng)力的連鎖反應(yīng)AR眼鏡作為穿戴設(shè)備環(huán)境和機(jī)械可靠性繞不開。高低溫循環(huán)會(huì)讓膠層和基底的熱膨脹差異被反復(fù)拉扯濕熱環(huán)境會(huì)讓體全息材料的折射率光柵慢慢劣化落球、扭曲等機(jī)械應(yīng)力則可能直接破壞光柵或膜層。我建議所有選型方案都做一輪完整的可靠性摸底至少包括高溫存儲(chǔ)、濕熱循環(huán)、冷熱沖擊和跌落測(cè)試。這里有一個(gè)容易被忽視的問(wèn)題膠水的固化收縮率。UV膠在紫外燈下固化時(shí)會(huì)收縮如果收縮率過(guò)大會(huì)改變光機(jī)相對(duì)波導(dǎo)的位置本來(lái)對(duì)準(zhǔn)好的畫面固化后偏了。解決方案是選用低收縮膠水并在固化前預(yù)留預(yù)固定點(diǎn)讓光學(xué)位置在固化過(guò)程中盡量不漂移。這個(gè)細(xì)節(jié)在Demo階段沒(méi)人關(guān)注到了產(chǎn)線導(dǎo)入階段就是效率和良率的重要變量。7. 按應(yīng)用場(chǎng)景做選型從需求反推參數(shù)的思路7.1 先想清楚產(chǎn)品形態(tài)再談FOV選波導(dǎo)方案最忌諱上來(lái)就“要最大FOV”。我見過(guò)不少項(xiàng)目片子還沒(méi)拿到需求已經(jīng)寫成“水平FOV五十度、眼盒二十毫米、鏡片厚度兩毫米以內(nèi)”這個(gè)組合幾乎不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。正確做法是先定義產(chǎn)品形態(tài)和目標(biāo)用戶如果是面向工業(yè)維修、安防巡檢的智能頭盔鏡腿空間充足光機(jī)可以做厚一點(diǎn)鏡片也不要求完全貼合普通眼鏡那幾何波導(dǎo)或者大FOV的衍射波導(dǎo)都可以優(yōu)先保FOV和畫質(zhì)。如果是面向日常佩戴的信息提示類AR眼鏡主要顯示通知、導(dǎo)航箭頭FOV其實(shí)不需要很大二十多度就夠用這時(shí)候優(yōu)先保的是外觀形態(tài)、透過(guò)率和成本衍射波導(dǎo)更合適。如果是醫(yī)療手術(shù)輔助或特殊人群輔助反而要格外重視色彩還原和無(wú)畸變幾何波導(dǎo)可能更穩(wěn)。7.2 一個(gè)可以復(fù)用的選型檢查清單我給自己整理過(guò)一份選型清單每次對(duì)接新項(xiàng)目都拿出來(lái)過(guò)一遍確定最低可用水平FOV而不是期望FOV。確定是否必須全彩單色需求可以大幅降難度。確定佩戴場(chǎng)景室內(nèi)、戶外、佩戴近視鏡、是否需要透過(guò)率調(diào)節(jié)。確定預(yù)計(jì)年產(chǎn)量這決定母版投入能不能攤薄。要求供應(yīng)商提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而不是規(guī)格書數(shù)據(jù)尤其是FOV口徑和均勻性數(shù)據(jù)。打樣后做全套佩戴評(píng)估不同瞳距、不同臉型、不同光線環(huán)境。提前安排一輪高低溫濕熱可靠性摸底不要等整機(jī)做完再測(cè)。清單里每一條背后都有真實(shí)教訓(xùn)。第1條是防止“設(shè)計(jì)指標(biāo)”和“可用指標(biāo)”被混淆第3條決定你要不要為透過(guò)率犧牲亮度第5條是規(guī)避“PPT和樣片是兩回事”第7條是防止到量產(chǎn)階段才被可靠性問(wèn)題打回重做。7.3 我在選型過(guò)程中踩過(guò)的幾個(gè)坑最后分享幾個(gè)真實(shí)經(jīng)歷過(guò)的坑希望能幫大家少走彎路。第一個(gè)坑是只看展示Demo。某次在展會(huì)上看某款衍射波導(dǎo)的演示畫面覺(jué)得亮度、色彩都很好但拿回來(lái)自己裝機(jī)發(fā)現(xiàn)Demo的光機(jī)亮度做了特殊補(bǔ)償均勻性測(cè)試換到低灰階畫面后有明顯條紋。后來(lái)我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣任何樣片都必須自己點(diǎn)燈測(cè)絕不只看要求參觀的場(chǎng)景。第二個(gè)坑是FOV口徑問(wèn)題。一個(gè)供應(yīng)商報(bào)的FOV是“對(duì)角53度”我按水平視角估算了一下覺(jué)得可以結(jié)果實(shí)測(cè)水平只有33度原因就是它把對(duì)角線值直接寫上了。之后我要求規(guī)格書必須同時(shí)給水平、垂直、對(duì)角三個(gè)值不給就默認(rèn)沒(méi)有。第三個(gè)坑是成本和良率的隱藏賬。做高折射率玻璃衍射波導(dǎo)時(shí)為了多搶兩三度FOV選了折射率很高的材料結(jié)果新材料的色散和鍍膜適配導(dǎo)致良率暴跌單片成本反而翻了一倍。光學(xué)設(shè)計(jì)上多出來(lái)的那點(diǎn)FOV遠(yuǎn)沒(méi)有成本增加來(lái)得真實(shí)。第四個(gè)坑是濕熱環(huán)境下的均勻性惡化。某批次樣片常溫測(cè)試一切正常但在高溫高濕循環(huán)后亮度均勻性明顯劣化局部還出現(xiàn)了霧狀斑點(diǎn)。排查下來(lái)是膠層和基底材料的熱膨脹系數(shù)差異引起應(yīng)力導(dǎo)致波導(dǎo)片微變形。這個(gè)問(wèn)題直接改變了我在選型時(shí)對(duì)材料體系的評(píng)估權(quán)重——光看光學(xué)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠工藝穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性必須納入考量。7.4 最后一點(diǎn)留足余量做完整系統(tǒng)驗(yàn)證光波導(dǎo)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)技術(shù)光看波導(dǎo)片本身解決不了所有問(wèn)題。光機(jī)、驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、算法任何一個(gè)環(huán)節(jié)掉鏈子最終體驗(yàn)都會(huì)打折。我現(xiàn)在的習(xí)慣是選型階段就同時(shí)準(zhǔn)備兩套備選方案一套偏保守、一套偏激進(jìn)拿到實(shí)物后同步驗(yàn)證用數(shù)據(jù)說(shuō)話而不是用PPT說(shuō)話。很多項(xiàng)目真正跑通的時(shí)間往往比預(yù)期多三到六個(gè)月而這些額外的時(shí)間大多花在了均勻性調(diào)試、可靠性補(bǔ)測(cè)和工藝修復(fù)上。提前把這些環(huán)節(jié)排進(jìn)計(jì)劃里比多搶幾個(gè)月的發(fā)布窗口要實(shí)在得多。