光波导能否破局AR眼镜“不可能三角”

随着成像光学技术、设备工艺和微显示技术的发展，增强现实(AR)显示器已经成为热门的研究方向，其可将虚拟信息集成和叠加在真实环境上，提升用户对于现实世界的感知和交互体验的沉浸感。AR眼镜被视为继手机、PC之后的下一代主流AI终端。而AR眼镜追求轻薄形态的趋势，使光波导从棱镜、自由曲面等技术方案中脱颖而出，成为AR光学显示的主流方案。

图源：Coherent官网

目前光波导方案主要分为几何光波导、衍射光波导两种。

几何光波导

几何光波导基于传统的几何光学，利用阵列式的半透半反镜实现波导内光线的传输与耦出，因此几何光波导也被称为阵列光波导。光从微显示器中射出，在耦入区域光线通过反射镜进入波导中，在波导内以全内反射的方式传播，在耦出区域通过阵列分布的半透半反镜进行出瞳扩展和耦出。在国内，针对几何光波导的研究主要集中在消除多次反射形成的杂散光上。

几何光波导原理图

衍射光波导

衍射光波导主要有基于光刻技术的表面浮雕光栅波导和基于全息技术的全息光波导。表面浮雕光栅波导，即在波导表面通过纳米压印工艺引入亚波长尺度的光栅结构，使用亚波长光栅取代几何光波导中的半透半反镜实现对光线传播方向的控制。基于成熟的纳米压印工艺，表面浮雕光栅的制备与复制较几何光波导、全息光波导成本更低，良品率更高，因此被视为目前AR-HMD（增强现实头戴近眼显示器）最切实可行的光学方案。

(a)矩形光栅；(b)倾斜光栅；(c)闪耀光栅和(d)模拟光栅

全息光波导，一般指使用体全息光栅（VHG）的光波导。与表面浮雕光栅使用纳米压印法或直接刻蚀法制备不同，体全息光栅主要采用双光束激光全息曝光的方式，利用激光的特性在感光聚合物内产生干涉以形成周期性的高低折射率结构，其优点是光栅调制深度可以做得很深，可以拥有较高的衍射效率和较好的色彩均匀度，并且对不同波长的光线具有较高的选择性，通过多层波导设计可以实现很低的色散，其缺点是制备工艺复杂，成本较高，同时良品率低。

全息光波导技术原理

随着用户对AR体验要求的不断提高，现有衍射光波导技术的固有局限性日益凸显。衍射光波导正面临大视场、全彩化与轻量化难以兼顾的“不可能三角”技术瓶颈。

衍射光波导的视场角和色彩均匀性均受制于光栅的色散特性，其最大视场角受到材料折射率的物理上限约束。以玻璃基底为例，单片全彩显示的视场角通常难以突破30°。在全彩化方面，红、绿、蓝三原色光在波导内的耦合路径不同，极易产生色偏与色散。目前业内主流方案是采用双层或三层独立波导分别传输RGB光，以缓解色散问题并实现全彩显示，但这无疑增加了系统厚度与重量，难以满足AR设备轻量化与便携化的要求。

超表面是一种由亚波长尺寸人工结构单元组成的二维平面器件，通过特殊的排布方式局部改变电磁场分布，完成光场的振幅、相位或偏振态调控，实现传统光学器件或与衍射光学器件的光学功能，或实现光波的异常反射与异常折射。超表面具备紧凑的体积与高自由度的光场调控能力，可以突破传统光学系统的物理限制，实现大视场角与全彩高分辨率显示，满足了增强现实光学系统对轻量化、便携性与高性能的需求。

超表面光波导在采用相同高折射率玻璃作为波导基底的前提下，不仅能够维持器件的轻薄化形态，还能够在单层结构下实现45°的视场角，并保持系统色彩均匀性。这一突破为下一代AR显示技术在沉浸感与实用性之间取得平衡提供了新的技术路径。当前该技术仍处于实验室阶段，在系统设计上需解决超表面器件带来的色散问题，在制备工艺上需提升光刻与纳米压印技术以解决加工难等问题。

超表面光波导增强现实显示系统示意图

现如今，光波导在光学性能与制备工艺上有很大的突破，其中搭载几何光波导与衍射光波导的AR产品已经出现在市场中，但距离光波导的大规模应用还有一定距离。超表面光波导凭借其超薄结构、宽视场角与全彩一致性的突出优势，有望从根本上解决AR显示的核心瓶颈，加速AR眼镜向真正的“眼镜化”与大规模产业化迈进。

参考来源：

[1]王昊东：基于衍射光波导的增强现实头戴显示系统设计

[2]史晓刚等：增强现实显示技术综述

[3]周亮等：全息光波导技术的发展与应用

[4]谢阅等：超表面光波导：增强现实光学技术新范式

[5]中国光学、中国激光杂志社