AR光波导的扩瞳技术与出瞳扩展

对于 AR 眼镜而言，光波导不仅需要完成图像光的耦入、传播和耦出，还需要解决一个关键问题：如何让有限尺寸的光机出瞳覆盖更大的眼动范围？这就是出瞳扩展（Exit Pupil Expansion，EPE）需要解决的问题。

传统光学系统中，出瞳尺寸受投影光学系统限制。光机越小，出射光束范围越小；范围过小，眼睛稍动就可能无法完整接收图像。AR 光波导通过内部传播和耦合，把小输入光瞳复制到不同位置，从而扩大有效出瞳，即光瞳复制。

按照出瞳扩展的方向，EPE 通常可以分为一维扩瞳（1D EPE）和二维扩瞳（2D EPE）。二者在结构设计、眼动适配、成像体验上差异显著。

一维扩瞳（图片来源：Cheng et al., 2021）

一维扩瞳只沿一个方向进行光瞳复制。例如，光线沿水平方向传播，在经过多个耦出区域时不断有部分光能量被提取，从而形成沿水平方向排列的多个出瞳。

二维扩瞳（图片来源：Cheng et al., 2021）

二维扩瞳则进一步增加一个正交方向的光瞳复制，使出瞳从一条方向扩展到二维区域。典型的二维结构通常包含：耦入区域 → 第一方向扩展/转折区域 → 第二方向扩展与耦出区域。二维扩瞳并不是简单地增加一个光栅，而是需要同时处理：传播方向、光栅耦合、光能分配以及最终出瞳均匀性。

几何光波导又称阵列光波导，利用几何光学原理实现扩瞳。其核心是在波导内部或表面布置一系列半透半反的分光面，即部分反射镜阵列。光线传播时，每遇到一个分光面，一部分被反射出射，其余继续前进至下一分光面。

一维扩瞳沿单一方向排列多个部分反射面；二维扩瞳则用两组不同方向的反射面，使光线依次完成两个方向的扩展。几何光波导以几何反射和折射为主，不依赖表面周期结构的衍射，因此成像质量和色彩表现较好；但多级分光面对加工精度、膜层性能和装配要求高，制造复杂度与良率是其产业化难点。

衍射光波导以光栅结构替代几何分光面，通过衍射效应实现光的耦入、传播与耦出。出瞳扩展的目标从物理层面看，是通过光栅的衍射效率调控，在视场范围内实现均匀出光。

光机产生的图像光首先通过耦入光栅进入波导，并以满足全反射条件的角度在基片内部传播。当导波光经过耦出区域时，一部分光能量被耦出，剩余光能继续在波导内部传播，并在后续位置再次与光栅发生作用。随着这一过程不断重复，原本较小的入瞳被复制到多个空间位置，从而形成更大的出瞳范围。  因此，衍射光波导中的 EPE（Exit Pupil Expansion）本质上可以理解为：利用光栅对导波光进行多次耦合与提取，在不同空间位置形成多个等效出瞳，实现光瞳复制与扩展。  需要注意的是，出瞳扩展与出瞳均匀性并不是同一个概念。

由于导波光在传播过程中不断被耦出，光能量会沿传播方向逐渐衰减，因此还需要对不同位置的光栅衍射效率进行优化，以补偿能量差异并改善整个出瞳区域的亮度均匀性。

表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）是衍射光波导中应用广泛的一类方案，其衍射特性由表面的周期性微纳结构决定。

对于理想的多级相位光栅，在设计波长和理想结构条件下，四级相位量化的一级衍射效率理论上可达到约81%，八级相位量化可达到约95%。实际器件的衍射效率还会受到材料、结构尺寸、偏振、入射角、波长以及加工误差等因素影响。

从扩瞳维度来看，一维EPE通常由耦入光栅和耦出光栅构成。导波光沿一个方向传播，并在耦出区域经历多次衍射与提取，从而实现单方向的光瞳复制。二维EPE则需要在两个方向上完成光瞳扩展，典型结构包括L型和二维交叉光栅两类。

L型结构由耦入光栅、转折光栅和耦出光栅依次组成。耦入光栅首先将光引入波导，转折光栅改变导波光在波导平面内的传播方向，使光瞳沿第二个方向继续复制，最终由耦出光栅完成出光。

另一种方案是二维交叉光栅。该结构具有两个非共线的光栅基矢，可以将转折与出耦功能集成在同一区域，从而在两个方向上实现光瞳复制。与典型L型结构相比，交叉型结构具有减小波导尺寸、降低衍射交互损耗和提高制造容差等潜在优势。

SRG扩瞳的关键难点之一在于出瞳均匀性。导波光每经过一次耦出区域，都会损失一部分能量，如果所有区域采用相同的衍射效率，光强通常会沿传播方向逐渐下降。因此，研究中常通过区域化光栅设计，对不同区域的衍射效率进行优化，并结合RCWA与系统级光线追迹，实现更均匀的出瞳照度分布。已有研究通过多区域SRG优化获得了16 mm × 14 mm的出瞳尺寸，并报告了91%的出瞳照度均匀性。

除了依赖表面微纳结构的SRG，另一类衍射波导方案利用材料内部的折射率调制实现光栅效应。

体全息光栅（Volume Holographic Grating，VHG）通过干涉曝光在光敏材料内部形成周期性折射率调制，利用材料内部的Bragg衍射实现光的耦入与耦出。与SRG不同，VHG的衍射主要由材料内部的体结构决定，因此具有较强的角度和波长选择性。

这种Bragg选择性能够实现较为精准的光束耦合，但同时也带来了响应带宽方面的限制，对大视场和全彩波导设计提出了更高要求。

偏振体光栅（Polarization Volume Grating，PVG）则在体光栅结构基础上进一步引入偏振选择性。PVG内部的光轴周期性旋转，使其同时具有体衍射和Pancharatnam–Berry（PB）相位响应特征。与传统VHG相比，PVG具有更宽的响应带宽，并能够利用偏振态对不同衍射过程进行选择性调控。

在二维扩瞳方面，PVG已经被用于实现大视场与大出瞳的结合。例如，Weng等人在2023年报道了一种基于PVG的二维扩瞳衍射波导，实验系统实现了30°对角视场，并获得接近20倍的出瞳放大；其测试光学成像效率为3.85%，背向漏光率为8.7%。

2026年的另一项PVG二维扩瞳实验则实现了30°视场、20 mm直径眼盒，并报告了超过5%的光学效率。这些结果表明，PVG已经成为二维衍射波导扩瞳研究中的重要技术路线。对于不同光栅方案，真正需要综合权衡的并不只是单点衍射效率，还包括视场、波长带宽、偏振响应、出瞳均匀性、漏光以及制造工艺等系统指标。

出瞳扩展技术正处于从一维向二维全面升级的关键阶段。一维扩瞳方案结构简单、工艺成熟，但镜腿体积偏大，且在保持小光机体积的同时难以兼顾大视场角和大眼盒。二维扩瞳通过垂直和水平双向扩展，可在保证较大视场的同时显著增大眼动范围，并允许耦入投影光机进一步小型化。

2025至2026年，二维扩瞳与体全息光波导方案进入商业化验证阶段。多家头部企业的量产良率已提升至70%以上，推动单镜片成本下降至80美元以下。从市场份额看，二维扩瞳光波导凭借视场角优势占据高端市场约65%的份额，而一维方案凭借成本优势和量产良率提升，在中低端及特定垂直领域保持竞争力。2025年也被视为衍射光波导二维扩瞳方案的量产元年，全彩显示效率突破3500尼特/流明。

水晶光电的布局反映了行业的多元化策略：GWG几何光波导主攻大视场角高端场景，VHG体全息光波导主打经济型消费级市场，SRG表面浮雕波导则通过12英寸晶圆迭代持续推进成本优化。这种多路线并行的格局，本质上是在成像质量、视场角、眼动范围、量产良率和成本之间寻找不同应用场景下的最优解。

从技术原理来看，EPE 最终解决的是眼睛能够在多大范围内接收到完整图像的问题。但对于实际 AR 显示系统而言，仅仅扩大眼盒还远远不够。因为随着光线不断进行复制和耦合，系统需要同时面对：效率下降、亮度不均匀、视场依赖、波长依赖、偏振依赖等问题。

因此，现代 AR 光波导设计已经从单纯的几何结构设计，逐渐转向对整个光传播过程的系统优化。对于衍射波导而言，光栅的局部衍射效率并不是孤立存在的参数。它最终会影响：这也是 EPE 仿真的关键所在。

对于 AR 光波导的系统级设计，可以进一步利用光学仿真分析光线从光源进入波导后的完整传播过程。

在 OAS 中，可以建立包含光源、波导基片、耦入结构、转折结构、耦出结构以及探测器的完整模型，对光线在波导内部的传播和多次耦合过程进行追迹。

例如：通过光线追迹，可以直观看到光线在波导内部的传播路径以及不同位置的出射情况。进一步结合探测器，还可以获得扩瞳区域的光能分布，对不同位置的出瞳能量和均匀性进行分析。如果改变光栅周期、结构参数、耦合效率或者空间分布，还可以进一步比较不同设计方案下的出瞳扩展效果。

因此，对于 AR 光波导而言，扩瞳仿真的重点并不是单独计算某一个光栅的衍射效率，而是建立从：光栅结构 → 光线传播 → 光瞳复制 → 出瞳分布 → 均匀性的完整分析链路。这也使微纳尺度的光栅设计与毫米至厘米尺度的波导系统性能建立起联系。