一副AR眼镜的核心技术壁垒之一，并不是单纯的微型显示器，而是如何通过光波导，让虚拟图像与真实世界在透明镜片中实现高质量叠合。
光波导需要在毫米级厚度内，将光从一端传输至另一端，同时实现光束均匀输出，并准确进入人眼。这不是简单的“屏幕延伸”，而是一场对光传播行为进行精密控制的光学工程——背后涉及材料、衍射、偏振以及复杂光学算法的持续探索。
1、全内反射：波导传输光线的基础原理
一块平平无奇的透明平板，为什么能把光从一端运到另一端而不漏出来？答案藏在中学物理课本里的一条原理——全内反射（Total Internal Reflection，TIR） 。
当光线从折射率较高的介质射向折射率较低的介质时，如果入射角大于临界角，光线将不会折射出界面，而会被完全反射回高折射率介质内部。
AR光波导正是利用这一特性：微显示器发出的图像光束经过投影系统准直后，从波导一端的耦入区域进入内部，并借助全内反射在波导中传播，最终通过另一端的耦出结构导出，使光线进入人眼。波导基底的高折射率与周围空气的低折射率形成折射率差，使光能够被限制在薄薄的玻璃或树脂片内部传播。
但全内反射也带来了一个重要约束：波导内部光线的传播方向并非任意，只有满足一定角度条件的光才能稳定传播。当光线超出可支持范围时，可能会产生泄漏。这一传播限制直接影响AR眼镜的视场角（Field of View, FOV） ——即虚拟图像覆盖人眼视场的角度范围。
当折射率n=1.5时，理论FOV约为30°级别；当n=1.75时，理论范围可提升至约48°；当n接近2时，理论上可进一步扩大至约60°。这也是为什么过去多年AR眼镜的FOV普遍处于30°-40°范围的重要原因之一：除了光学结构设计限制外，材料折射率也是影响FOV提升的重要因素。
需要注意的是，实际AR系统中的FOV并不完全由折射率决定，还受到微显示器数值孔径（NA）、光机设计、波导结构、扩瞳方式以及光效均匀性等因素共同影响。
人眼单眼自然视场约160°×130°，双眼水平重叠区域超过120°。当前AR系统几十度级别的FOV与人眼自然视野仍存在明显差距，虚拟画面覆盖范围仍有提升空间。
因此，探索更高折射率材料、优化波导结构以及提升系统效率，成为AR光学发展的重要方向。
2、碳化硅：高折射率材料的新探索
碳化硅（SiC）近年来成为AR光学领域关注的高折射率材料之一。其折射率可达到约2.6-2.7，相比传统光学玻璃和树脂材料具有明显优势。在理论层面，更高折射率能够扩大波导支持的光传播角度范围，为大视场角AR显示提供新的材料选择。
基于高折射率材料的波导方案，也正在不断推进研究和验证。例如，Meta Orion原型机展示了基于SiC波导的大视场角探索能力，体现了高折射率材料在AR显示领域的潜力。
不过，高折射率材料并不是解决所有光学问题的唯一答案。对于衍射光波导而言，长期存在的挑战之一是彩虹伪像：当环境光（如太阳光）照射到波导表面的衍射光栅时，不同波长光可能产生不同程度的色散，从而形成彩色条纹叠加在视野中。
高折射率材料能够改变光在波导中的传播特性，并有助于优化衍射结构设计，从而降低彩虹伪像影响。
图源：eLight（西湖大学、慕德微纳联合发布SiC波导解决方案）
西湖大学团队曾展示基于SiC材料的衍射波导研究成果，在薄型化、高光效以及彩虹伪像控制方面取得进展，为高折射率波导发展提供了新的探索方向。
此外，SiC还具有较高热导率。理想单晶SiC热导率可达到约490 W/(m·K)，实际加工后的波导器件会受到晶格缺陷、加工工艺以及材料结构影响，热导率通常有所降低，但整体仍明显高于普通玻璃材料。这意味着，在高亮度AR显示系统中，SiC具备一定热管理优势，有助于提升系统稳定性。
但高折射率也带来了制造挑战。SiC硬度较高，传统加工方式难以满足复杂纳米结构制造需求。在衍射波导应用中，需要采用高精度刻蚀等工艺，在材料表面形成纳米级结构。目前，SiC波导仍处于从实验验证向产业化探索推进阶段，成本、加工效率以及规模制造能力仍是未来需要解决的问题。
3、从“线”到“面”：出瞳扩展的维度跃迁
光进入波导后，下一个挑战是如何让它均匀地输出，并覆盖人眼的活动范围。微显示器产生的光束出瞳通常只有几毫米，而人在佩戴过程中眼睛会产生自然移动，因此需要将有限的出瞳范围扩大到适合观察的眼盒（Eyebox）区域。这一过程称为出瞳扩展（Exit Pupil Expansion，EPE）。
几何光波导：反射镜阵列的精密设计
几何光波导采用嵌入内部的半透半反射镜阵列，通过多个反射面逐步分配光能。光线每经过一个反射面，部分能量被反射出波导进入人眼，剩余部分继续在波导内部传播。通过精确控制不同反射面的透反比例，可以实现一维方向上的光束扩展。
更先进的二维阵列几何波导，则在波导内部设置两组方向不同的分光面阵列，分别实现水平方向和垂直方向的光线扩展，使眼盒在两个维度得到提升，从而提高佩戴容错率。部分二维阵列波导方案可实现几十度级别视场角，并通过结构优化将厚度控制在毫米级范围内。
国内企业也在探索二维阵列波导的制造工艺。例如，理湃光晶采用分子键合等工艺路径，尝试提升多层结构制造一致性。相比传统胶层贴合方式，分子键合有助于减少胶层对光路一致性和长期可靠性的影响，提高多层反射结构的对准精度。
几何波导通常具有较好的成像质量、色彩表现以及较低彩虹伪像风险。但与此同时，多层半透半反结构对于镀膜精度、结构对准以及加工一致性提出了较高要求，工艺难度和制造成本仍是持续优化方向。
衍射光波导与表面浮雕光栅：纳米尺度的光控技术
衍射光波导采用完全不同的思路：不在波导内部嵌入反射镜，而是在波导表面或内部构建纳米级周期结构——表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）。SRG通常通过电子束光刻、纳米压印或离子束刻蚀等工艺，在波导表面形成物理形貌光栅，其典型特征尺寸处于几十到几百纳米范围。
SRG的核心工作原理可以由光栅方程描述：
其中，d为光栅周期，θi为入射角，θm为第m级衍射角，λ为入射光波长。下图为 OAS 软件中典型倾斜光栅的结构示意图，通过设计光栅的周期、占空比、深度和倾斜角，可以精确调控不同波长、不同级次的衍射效率。
(典型倾斜表面浮雕光栅(SRG)结构示意图)
在AR波导中，SRG通常包含三个主要功能区域：
· 耦入光栅：负责将微投影光机发出的准直光束耦合进入波导，使其满足全内反射传播条件。
· 转折光栅（扩展光栅）：改变光束传播方向，通常将水平传播光转向垂直方向，实现一维扩瞳。
· 耦出光栅：将波导中的光均匀导出，使其进入人眼，实现显示。
（左上）转折光栅二维扩瞳；
（右上）二维光栅二维扩瞳；
（左下）OAS软件中建立的AR眼镜模型；
（右下）OAS软件中建立的二维光栅模型。
这种“三光栅”架构，使衍射波导能够以较简单的结构实现二维出瞳扩展，同时保持较薄的光学厚度，因此成为消费级AR眼镜的重要技术方向之一。相比几何波导，衍射波导具有结构轻薄、设计自由度高等优势，部分方案厚度可控制在毫米甚至亚毫米级。
SRG 的设计与优化工具：由于光栅结构尺寸接近光波波长，传统几何光学方法无法准确描述其光学行为，因此需要采用严格耦合波分析（RCWA）等电磁仿真方法。RCWA通过将光栅区域划分为多个薄层，并利用傅里叶展开描述电磁场分布，通过求解麦克斯韦方程组计算不同衍射级次的效率和偏振响应。
结合粒子群优化（PSO）等算法，工程师可以在光栅周期、深度、占空比、倾角等多个参数组成的设计空间中寻找更优方案。例如，针对 550 nm 波长的 S 偏振光，通过参数优化可将衍射效率从约 56% 提升至 94.7% 以上。
因此，衍射光波导的发展重点并不仅是实现更薄结构，而是在光效、均匀性、FOV以及环境适应性之间寻找更优平衡。
4、效率与均匀性的物理平衡
衍射光波导长期面临一个核心矛盾：为了提升显示亮度，需要增强光栅耦合效率；但当效率提高时，大视场角情况下可能增加寄生衍射和能量泄漏，从而影响显示均匀性。相反，如果过度追求均匀性，又可能牺牲整体光效率。这一“效率—均匀性”之间的矛盾，与传统光栅对偏振状态和传播路径的被动响应有关。
近年来，偏振体全息光栅（PVG）提供了一种新的优化方向。PVG通过全息干涉在材料内部形成周期性折射率分布结构，与表面浮雕光栅不同，它利用材料内部结构调控光传播。研究发现，在特定条件下，PVG可以利用偏振转换机制改善光传播效率，并降低部分寄生衍射造成的能量损失。其中，反常偏振转换（APC）机制受到关注。
（谷东科技PVG光波导片）
该机制通过主动调控光偏振状态，使更多光能沿目标路径传播，从而有望提升耦入效率和亮度均匀性。不过，PVG/APC等技术仍处于持续研究阶段，实际大规模应用仍需要进一步验证材料体系、制造工艺和成本优势。
5、微显示与系统集成：光学系统的整体平衡
光波导是“管道”，前端的光引擎——微显示器——决定亮度、对比度和色彩。目前，AR近眼显示领域主要探索的微显示技术路线包括Micro-OLED、LCoS/DLP以及Micro LED等。
Micro-OLED：成熟度较高的近眼显示方案
对比度极高（百万级），成熟度最高。典型入眼亮度为1000-1250尼特，中等强光环境下具备基础可读性，室外强光下仍显不足。部分样品峰值亮度可达数万尼特，但功耗和寿命受限。
LCoS/DLP：高亮度路线但轻量化存在挑战
亮度可达数万尼特，但光机体积大（4-6 cc），散热需求高，难以实现轻薄化。
Micro LED：未来AR显示的重要候选方案
6、展望：多技术路线协同推动AR光学发展
当前，AR光波导技术正处于持续演进阶段。一方面，高折射率材料为扩大视场角、优化光学性能提供新的探索方向；另一方面，PVG、偏振调控等技术正在尝试解决衍射波导中光效与均匀性之间的矛盾；与此同时，MicroLED等新型微显示技术的发展，也将进一步推动AR系统向高亮度、小体积方向演进。
不同应用场景对于视场角、重量、成本、续航以及显示效果的需求不同，未来AR眼镜市场可能形成多种技术方案并存的格局。
从全内反射到高折射率材料，从几何反射结构到衍射光栅，再到偏振体全息技术，光波导的发展本质上是在不断探索如何更加精准地控制光传播。每一次技术进步，都是对材料性能、光学设计和制造工艺边界的进一步突破。
未来，当光学系统、微显示技术以及计算能力进一步融合，AR眼镜有望逐渐接近更加自然、轻便和全天候使用的目标。而光波导，仍将是决定AR眼镜显示体验的重要核心技术之一。
来源：武汉二元科技、艾邦智造整理
