光波導能否破局AR眼鏡“不可能三角”

隨著成像光學技術、設備工藝和微顯示技術的發展，增強現實(AR)顯示器已經成為熱門的研究方向，其可將虛擬信息集成和疊加在真實環境上，提升用戶對于現實世界的感知和交互體驗的沉浸感。AR眼鏡被視為繼手機、PC之后的下一代主流AI終端。而AR眼鏡追求輕薄形態的趨勢，使光波導從棱鏡、自由曲面等技術方案中脫穎而出，成為AR光學顯示的主流方案。

圖源：Coherent官網

目前光波導方案主要分為幾何光波導、衍射光波導兩種。

幾何光波導

幾何光波導基于傳統的幾何光學，利用陣列式的半透半反鏡實現波導內光線的傳輸與耦出，因此幾何光波導也被稱為陣列光波導。光從微顯示器中射出，在耦入區域光線通過反射鏡進入波導中，在波導內以全內反射的方式傳播，在耦出區域通過陣列分布的半透半反鏡進行出瞳擴展和耦出。在國內，針對幾何光波導的研究主要集中在消除多次反射形成的雜散光上。

幾何光波導原理圖

衍射光波導

衍射光波導主要有基于光刻技術的表面浮雕光柵波導和基于全息技術的全息光波導。表面浮雕光柵波導，即在波導表面通過納米壓印工藝引入亞波長尺度的光柵結構，使用亞波長光柵取代幾何光波導中的半透半反鏡實現對光線傳播方向的控制。基于成熟的納米壓印工藝，表面浮雕光柵的制備與復制較幾何光波導、全息光波導成本更低，良品率更高，因此被視為目前AR-HMD（增強現實頭戴近眼顯示器）最切實可行的光學方案。

(a)矩形光柵；(b)傾斜光柵；(c)閃耀光柵和(d)模擬光柵

全息光波導，一般指使用體全息光柵（VHG）的光波導。與表面浮雕光柵使用納米壓印法或直接刻蝕法制備不同，體全息光柵主要采用雙光束激光全息曝光的方式，利用激光的特性在感光聚合物內產生干涉以形成周期性的高低折射率結構，其優點是光柵調制深度可以做得很深，可以擁有較高的衍射效率和較好的色彩均勻度，并且對不同波長的光線具有較高的選擇性，通過多層波導設計可以實現很低的色散，其缺點是制備工藝復雜，成本較高，同時良品率低。

全息光波導技術原理

隨著用戶對AR體驗要求的不斷提高，現有衍射光波導技術的固有局限性日益凸顯。衍射光波導正面臨大視場、全彩化與輕量化難以兼顧的“不可能三角”技術瓶頸。

衍射光波導的視場角和色彩均勻性均受制于光柵的色散特性，其最大視場角受到材料折射率的物理上限約束。以玻璃基底為例，單片全彩顯示的視場角通常難以突破30°。在全彩化方面，紅、綠、藍三原色光在波導內的耦合路徑不同，極易產生色偏與色散。目前業內主流方案是采用雙層或三層獨立波導分別傳輸RGB光，以緩解色散問題并實現全彩顯示，但這無疑增加了系統厚度與重量，難以滿足AR設備輕量化與便攜化的要求。

超表面是一種由亞波長尺寸人工結構單元組成的二維平面器件，通過特殊的排布方式局部改變電磁場分布，完成光場的振幅、相位或偏振態調控，實現傳統光學器件或與衍射光學器件的光學功能，或實現光波的異常反射與異常折射。超表面具備緊湊的體積與高自由度的光場調控能力，可以突破傳統光學系統的物理限制，實現大視場角與全彩高分辨率顯示，滿足了增強現實光學系統對輕量化、便攜性與高性能的需求。

超表面光波導在采用相同高折射率玻璃作為波導基底的前提下，不僅能夠維持器件的輕薄化形態，還能夠在單層結構下實現45°的視場角，并保持系統色彩均勻性。這一突破為下一代AR顯示技術在沉浸感與實用性之間取得平衡提供了新的技術路徑。當前該技術仍處于實驗室階段，在系統設計上需解決超表面器件帶來的色散問題，在制備工藝上需提升光刻與納米壓印技術以解決加工難等問題。

超表面光波導增強現實顯示系統示意圖

現如今，光波導在光學性能與制備工藝上有很大的突破，其中搭載幾何光波導與衍射光波導的AR產品已經出現在市場中，但距離光波導的大規模應用還有一定距離。超表面光波導憑借其超薄結構、寬視場角與全彩一致性的突出優勢，有望從根本上解決AR顯示的核心瓶頸，加速AR眼鏡向真正的“眼鏡化”與大規模產業化邁進。

參考來源：

[1]王昊東：基于衍射光波導的增強現實頭戴顯示系統設計

[2]史曉剛等：增強現實顯示技術綜述

[3]周亮等：全息光波導技術的發展與應用

[4]謝閱等：超表面光波導：增強現實光學技術新范式

[5]中國光學、中國激光雜志社