揭秘AR眼镜主流显示技术——AR衍射光波导

回顾往期文章可以得知，衍射光波导如果要将微投影系统（光机）发出的光导入人眼，必须经过耦入和耦出的过程。即光机发出的光通过耦入光栅，进入平板波导，并在其中进行全反射传播，最后再由耦出光栅将光传递到人眼。

以上过程中最为核心的就是全反射传播。那什么是全反射呢？

全反射是指光从高折射率介质射向低折射率介质，并且入射角大于等于临界角时发生的一种特殊现象。即当满足全反射条件时，光会在平板波导中通过反射不断向前传播，并且不会透射出来，从而能够改变光的传播方向。我们所熟知的海市蜃楼就是一种由光的全反射形成的自然现象。

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通常AR眼镜是由光机来输出图像，然而如果直接将光机放置到镜片上，显然会阻挡用户视线，而且也不美观。同时仅靠光机也无法实现虚实融合的显示效果。

基于全反射原理，衍射光波导可将光机投射出来的图像进行等比转移，进而可将光机放置到眼镜的顶部或侧部。这样一来不仅不会遮挡用户视线，而且由于衍射光波导的透光率高且十分轻薄，能够使AR眼镜在实现虚实融合的显示效果的基础上，更加接近普通眼镜的形态。

值得一提的是，衍射光波导只负责将图像进行转移并传至人眼，不会对图像内容本身造成影响，所以没有放大或缩小图像的功能。

一般光学显示方案不具备扩瞳功能，只能让人眼在与光机出口（出瞳）大小相同的范围内看到图像（即眼动范围）。假如光机出瞳的尺寸是φ5mm，那么用户就只能在φ5mm的眼动范围内看到图像。这就像通过猫眼（门镜）看世界，极大地影响沉浸感和视觉体验。

为了解决这一问题，衍射光波导可以通过二维扩瞳将出瞳扩大，在确保体积小、视场角大的前提下，双向增加眼动范围，进而获得极强的沉浸感和良好的视觉体验，同时还可以适配不同人的瞳距，这就是衍射光波导的第二个核心功能。

通常有两种方案能够实现二维扩瞳，第一种是采用3块一维光栅（即耦入光栅、转折光栅、耦出光栅），第二种是采用1块一维光栅（耦入光栅）和1块二维光栅（耦出光栅）。

第一种方案，首先通过耦入光栅将光机发出的光耦入到光波导中，然后经过全反射入射到转折光栅上，此时一部分光会被转折到耦出光栅，剩下的光将继续通过反射向前传播，然后再次入射到转折光栅上，此时又会有一部分光被转折到耦出光栅，重复此过程便实现了一维扩瞳。

最后，传到耦出光栅上的光，一部分会通过衍射传入人眼，剩下的光将继续通过反射向前传播，然后再次入射到耦出光栅上，此时又会有一部分光被传入人眼，重复此过程便实现了另一方向的一维扩瞳。这两次一维扩瞳合在一起便构成了二维扩瞳。

第二种方案，同样先通过耦入光栅将光机发出的光耦入到光波导中，然后经过全反射入射到二维耦出光栅上，此时一部分光会通过衍射传入人眼，剩下的光将会被分成横纵双向通过反射继续向前传播，然后再次入射到耦出光栅上，此时又会有一部分光被传入人眼，重复此过程便实现了二维扩瞳。

以上便是两种二维扩瞳方案的物理过程。相比之下，第一种方案，从衍射光波导的设计到制备都相对简单，但整体上更占镜片面积。第二种方案，由于需要采用设计和制备难度都更高的二维光栅，所以实现起来相对更难，但整体架构更为紧凑，能够节省镜片面积。

通过二维扩瞳，不仅可以增大眼动范围，提升用户的沉浸感，同时也能进一步缩减光机的重量和横纵双向的尺寸，进而使AR眼镜更加轻薄、更具适配性。

值得注意的是，虽然二维扩瞳将图像复制了很多份，但我们实际只会看到一个像，而非多个像。因为耦出光栅传出的图像并不是实像，而是虚像。同时由于人的大脑会欺骗自己，总是会根据人眼所看到的光束的反向延长线去找这个像。而扩瞳产生的光束实际对应的是同一虚像的不同角度的信息，所以无论人眼看到多少个不同位置的扩瞳光束，都会根据它的反向延长线追溯到同一个像。

举个例子，就像我们通过平面镜看蜡烛，蜡烛的光线经过镜面反射进入人眼，人眼就会根据光线的反向延长线去找这个虚像。下图中的3条光线，就可以近似理解成衍射光波导中3个不同位置的扩瞳光束，由图可见，当我们同时看到这3条光束时，实际指向的都是同一个像。

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另外，很多人一直对衍射光波导都有一个误解，就是能效低。实际上，这是因为在实现二维扩瞳的过程中，衍射光波导需要将光能分割成很多份并且平均地分配到每个出瞳位置上，所以单位面积上的能量自然就少了。但如果将衍射光波导上的所有光线全都收集到人眼中，就会发现衍射光波导的能效其实并不低。

所以说，衍射光波导能效不高的主要原因就是扩瞳。然而扩瞳是衍射光波导的一大功能，上面介绍了它有很多好处，因此我们需要在保持一定扩瞳倍率的基础上尽量提高能效。

▲ 衍射级次示意图

一方面，衍射光波导主要有两大核心功能：图像等比转移和二维扩瞳。基于此，能够使AR眼镜在极具轻薄、大视场角的前提下，适配更多人群，并带来极强的沉浸感和良好的视觉体验。并且结合半导体工艺，使得衍射光波导更具量产性，从而为AR眼镜走向C端市场奠定了基础。

另一方面，衍射光波导作为AR眼镜的主流显示技术路线，在前景广阔的同时也极具复杂性。需要从衍射级次、入射角度、波长等多个角度进行衍射效率的优化。

针对以上光栅衍射问题，至格科技自主掌握针对不同类型光栅的全套计算软件。软件算法来源于清华大学光栅与测量实验室20余年的技术积累，基于傅里叶模态法（FMM）能够快速准确地计算光栅的衍射问题。

而且同时拥有功能完备的光栅母版加工中心以及完整的衍射光波导生产线和批量生产体系，实现了设计与制造的紧密配合。在做光栅设计的时候可以兼顾到母版加工和生产制造的工艺能力，遇到问题能够及时调整优化，产品迭代速度非常快。

目前至格科技已具备C端客户的量产交付经验，可以为客户提供从设计、制版到材料和工艺的一站式解决方案，以及快速、稳定、可靠、低成本的衍射光波导量产交付方案。

随着技术不断发展与性能进一步优化，AR衍射光波导将会助力AR眼镜走入千家万户，在元宇宙时代大放异彩。