AR眼镜眼盒难题有新解：偏振分区把样机亮度均匀性提到70%

AR 眼镜的波导需要给眼睛留出一定的移动余量，也就是眼盒。但眼盒越大，投影光分配到的区域越广；用户的瞳孔只接收其中一小部分光。把光机功率一味调高，会增加功耗和热负担。能否保留可用的眼盒范围，却只照亮此刻真正需要的局部？

Nilsen 等人在 2026 年发表于 Advanced Photonics Research 的论文，讨论了一个具体做法：将出瞳耦出区分成对不同圆偏振态响应的区域，用输入偏振选择当前工作的区域。这不是让整个大眼盒同时变亮，而是用“可切换的小眼盒”覆盖一个更大的可用范围。

图1 一种设计将 OC 分割成四个区域，通过两个可切换偏振片和 PVG 光栅来分割光束进行选择。

传统出瞳扩展的损失在哪里

近眼显示波导通常把光机图像经入耦器送入波导，让光在其中全内反射传播，再由出耦器送向眼睛。为了让眼睛移动后仍看见完整视场，出耦器必须在较大范围内复制出瞳。问题是，光束每遇到一次出耦器，都可能抽取一部分能量；沿传播方向，后续位置可用的光越来越少，眼盒亮度便可能出现明显梯度。

论文研究的是偏振体光栅（polarization volume grating，PVG）出耦器。PVG 对圆偏振旋向有选择性。作者把原本覆盖整段眼盒的一个出耦区，拆为左右两个等长区；一个响应左旋圆偏振，另一个响应右旋圆偏振。输入偏振切换后，光沿对应的入耦与出耦路径传播，只照亮选中的半区。

这里有两个容易混淆的量：总可覆盖范围和某一时刻点亮的范围。两区拼在一起，仍可覆盖原来的眼盒长度；但单次工作只选一个区。实际产品若要让选择跟随瞳孔，就需要眼动追踪和电控偏振切换。论文的样机没有集成这套闭环，而是用线偏振片和四分之一波片手动切换偏振。

论文如何验证

作者先在 OpticStudio 中比较整段出耦器与双区方案。第一组仿真采用 550 nm 准直矩形光束、长 55 mm 且厚 1 mm 的波导、折射率 1.8，以及周期 400 nm 的出耦器；分区出耦器的总面积与整段方案相同。中心视场光束的眼盒均匀性由 35.8% 提高到 69.4%。论文把均匀性定义为采样区域内最小强度与最大强度之比，乘以 100%；它不是整机光效率。

随后作者制作了双区样机，与 15 mm 长的整段出耦器比较。两个分区各长 7.5 mm，分别响应相反的圆偏振。以 532 nm 激光在法向入射下测试，较低衍射效率那组样品的均匀性从 44.0% 提高到 70.1%；在约 6 mm × 15 mm 的测量孔径内，总功率分别为 9.11 μW 和 9.85 μW。这个结果支持“分区后均匀性改善”，但两种样品的总功率只是接近，不应写成亮度翻倍已被实验证实。

作者还改变了液晶材料配比，使出耦光栅的衍射效率由约 60.5% 提高至 74%。对应的整段/双区样品，均匀性分别为 15.9%/38.8%，测得的眼盒总功率分别为 10.52/11.01 μW。提高单次耦出比例会让更多光较早离开波导，因此总功率上升与空间均匀性下降可能同时发生；分区方案缓解了这一取舍，并没有消除它。

论文还给出四区、二维出瞳扩展的设计与仿真：在另一套采用 532 nm 准直光的模型中，均匀性从 19.2% 提高到 51.2%。四区结构没有进行实验验证，不能把这个数字和上述双区样机的实测结果放在同一证据等级。

图2 The eyebox for the lower efficiency (a–c) and higher efficiency (d–f) OCs, with (a) and (d) showing the full‐sized OC eye‐boxes, and each of the OC zone responses for RCP light seen in (b) and (e) and LCP light as seen in (c) and (f) after a circularly polarized 532‐nm laser fully illuminates each IC at normal incidence.

亮度与眼盒：不能只看一个倍率

作者用一个简化的一维模型说明潜力：当完整出耦区与半长出耦区分别发生 10 次和 5 次相互作用、每次耦出效率取 20% 时，半长区的计算均匀性约为 41%，完整区约为 13%。若再提高半长区的耦出效率，理论上可以在较小照明面积中取出与完整区相近的总功率，局部光强可接近两倍。

但“两倍”来自理想化模型的上限讨论，不是样机的亮度实测增益。真实 PVG 的效率随波长、角度和偏振状态变化；传播中的偏振漂移、各层界面损失也会改变结果。更重要的是，选中一个较小区域后，眼睛若移到边界或另一区域，必须及时切换；若同时点亮两个区，功率又要重新分摊。文章标题中的眼盒“变大”和亮度“提高”，因此应理解为架构提供的两种设计空间，而非无条件同时获得。

做成眼镜还缺什么

对系统设计者，这篇论文的价值不只是换了一种光栅，而是把出瞳扩展问题从“被动地照亮整片区域”改为“根据瞳孔位置分配光”。它也把新的工程问题带了进来：

1. 眼动闭环

需要确认追踪精度、偏振切换延迟和眼睛跨区时的图像连续性。论文样机未验证这套闭环。

2. 边界与串扰

分区交界处可能截断视场；错误入耦路径也可能在未选区域出现漏像。论文展示了漏像照片，但没有给出可直接用于量产设计的容差预算。

3. 全彩与大视场

实验主要基于 532 nm 单色条件；全彩还需解决 PVG 以及四区设计中几何相位偏转器的色散、角度响应。区数增加时，作者也指出可能发生视场截断或光路串扰。

4. 多层制造与对准

双区样机由两片具有不同偏振响应的波导贴合，中间留空气间隙。区数增加后，入耦器、折叠耦合器与出耦器的位置关系会更复杂；错位可能让不同分区的像产生相对位移。

因此，这项工作的可靠结论是：在论文给定的单色、特定样机和测量条件下，偏振选择分区显著改善了眼盒亮度均匀性；四区二维方案显示了进一步扩展的仿真可能。若评价目标是可佩戴的全彩 AR 系统，还必须把光效率、视场、眼动延迟、串扰与装配公差放在同一张系统指标表里验证。

资料来源：

Kevin Nilsen, Hosna Tajvidi Safa, Luke Benoit, Shin-Tson Wu, “Enhancing the Eyebox Brightness and Size in Augmented Reality Waveguide Devices via Polarization Multiplexing,” Advanced Photonics Research, e70289, 2026 年 10 月 6 日首次发表。出版社开放获取全文，DOI: 10.1002/adpr.70289。检索及全文核对日期：2026 年 10 月 13 日。

来源：梦想光学

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