(AR) 便携式和可穿戴设备市场正在迅速增长。在各种硬件实现形式中，头戴式显示器（HMD）或带有透视眼镜的近眼显示器（NED）提供了最有效和沉浸式的AR体验。光波导由于其轻薄的特性，被认为是消费级AR眼镜的无与伦比的选择，但由于其高昂的价格和技术壁垒，依旧令人望而却步。随着 Hololens II、Magic Leap One 等主流 AR 可穿戴设备均采用波导方案并展现量产能力，以及近期 AR 光模块厂商 DigiLens、NedAR、LingXi 的融资消息披露，波导已成为主流。 AR玻璃行业的热门话题。

光波导在 AR NED 系统中是如何工作的？所谓的“阵列波导”、“几何波导”、“衍射波导”、“全息波导”、“体积波导”是什么关系？波导是如何在 AR 玻璃行业发生革命性变化的过程中发展起来的？

1. 光波导——随需而生

光学系统通常由微型显示器和成像光学器件组成，用于 VR 和 AR 近眼显示器 (NED)。微型显示器可以像微型 OLED 或时尚的微型 LED 面板那样主动提供图像，或者通过在基于液晶的显示器（包括透射式 LCD 和反射式 LCOS）、数字微镜器件 (DMD) 以及激光上照亮光来间接提供图像光束扫描仪 (LBS) 均由微机电系统 (MEMS) 启用。与VR类似，显示像素被成像到一定距离，形成虚像投射到人眼。与 VR 不同，AR NED 需要“透视”功能，让眼睛能够同时看到现实世界。成像系统不能挡住前视，因此，它需要一个或几个附加的光学元件来形成“光学组合器”。合光器在反射虚像的同时，将外部光线传输到人眼，将虚拟内容叠加在真实场景之上，使其相互补充和“增强”。

AR NED 市场已经展示了多种光学组合器解决方案，通常以反射或部分反射镜、透镜或棱镜为代表。反射表面可以是平坦的、弯曲的或自由成型的，而一些表面可以是偏振的。这里我们用一种简单的方式对光学解决方案及其在市场上的代表产品进行分类，并简要比较它们的特点。由于有关不同光学解决方案的文章已经相当丰富，我们在此不再赘述，而是重点介绍光波导。显然，目前还没有理想的解决方案，从而使所有人共同繁荣。每个 AR 玻璃产品都需要根据目标场景或用例选择最合适的，不过，在目前所有的光学解决方案中，我们认为基于其光学性能、外观和量产能力，光波导最有可能实现消费级 AR 眼镜。

2. 波导技术的优缺点

光波导技术是最近作为一种独特类型的光合路器引入的，因为它通常不承载光功率。虽然它不是一个全新的概念，但它的工作方式与用于通信网络的光纤相同。唯一的区别是后者在我们的例子中传输红外光而不是可见光。为了让光在波导内像游泳的蛇一样来回反射，“全内反射 (TIR)”是关键。发生 TIR 需要满足两个条件：（1）波导中的高折射率材料（n1>n2）；(2)光的输入角大于临界角θc。

光学引擎生成虚像后，波导在图像中进行耦合，通过几乎零泄漏的 TIR 将其传输到玻璃基板内部，然后在到达观察者眼睛的位置时将图像耦合出去。在整个过程中，波导通常不会影响图像本身，因此它是一个独立于成像系统的光学组合器。

使用波导作为光合路器的最大优势在于AR眼镜设计中的空间优化。通过将微型显示器和成像光学装置放在一边（在前额顶部或侧面），不仅可以最大限度地减少视觉遮挡，还可以优化设备的重量平衡并改善人体工程学。下面列出了波导配置的优缺点，并将在本文的整个上下文中进行解释。

优点

· 大眼框和改进的机械公差以适应更多人群 - 1D 和 2D 出瞳扩展。

· 视觉间隙和重量平衡——将虚拟图像传输到眼睛的波导。

· 眼镜外观，接近消费产品——目镜扁平薄，外透光性好。

· 易于设计迭代和大规模生产——具有定制轮廓的平板玻璃基板，纳米加工。

· 多层可堆叠——在不同深度创建虚拟图像，实现 3D。

选项_

· 相对低的光学效率——低输入/输出耦合效率和大眼盒的牺牲。

· 几何波导：复杂的制造工艺，产量可能较低。

· 衍射波导：衍射产生的色散会导致影响图像质量的彩虹和雾度效应。

· 衍射波导：高设计壁垒。

三、波导分类及比较

如上所述，波导的主要部分是透明的薄玻璃基板（厚度通常从亚纳米到几纳米不等），由于 TIR，在顶部和底部表面之间反射的光几乎没有泄漏。如果您计算允许在波导内进行 TIR 的输入角度范围，您会发现视场 (FOV) 受玻璃折射率的限制。因此，为了实现更高的 FOV，Corning 和 Schott 等玻璃制造商正在开发晶圆级的高折射率玻璃基板，特别是针对这个市场。

波导技术的不同之处在于用于将光耦合进出波导的结构，通过两者之间的光的 TIR 传输连接。光波导一般可分为几何型和衍射型。几何波导即所谓的“阵列波导””，它通过一组半透反射镜在一个维度上扩展了眼框。几何波导的先驱光学公司是 Lumus。到目前为止，市场上还没有成熟的AR玻璃产品大量上市。衍射波导覆盖表面浮雕光栅（SRG）结构和体积全息光栅（VHG）结构。Hololens 和 Magic Leap 都使用 SRG 结构，而 Digilens 是 VHG 的先驱，以及苹果去年采用的 Akonia。VHG 技术相对不太成熟，目前只能提供有限的 FOV，但可能会提供更好的色彩表现。由于文章篇幅的限制，我们先介绍几何波导，衍射波导留到下一篇。

(1) 几何波导

几何波导在大约 20 年前首次推出，由以色列公司 Lumus 率先推出。如图 5 (a) 所示，来自光学引擎的光通过反射镜或棱镜结构耦合到波导中。在到达观察者眼前的位置时，在玻璃基板内发生几次 TIR 反射后，光线会遇到一系列透反表面以释放图像。透反射式（透射+反射）表面以一定角度嵌入波导基板内，将部分光反射到我们的眼睛，并将其余的光传输通过以进一步传播。它还传输来自现实世界的光，以用作光学组合器。然后透射光遇到另一个透反表面并重复相同的透射和反射过程。

在传统的光学成像系统中，光通过所谓的“出射光瞳”只有一个出路。在这里，透反表面重复自身多次提供相同的图像输出，从而在水平方向上扩大出射光瞳。这种设计被称为“一维出瞳扩展（EPE）图像平面”——我们的视网膜上形成，相同角度的所有光线（即使它们来自不同的出射光瞳）合并到同一个像素上，因此只创建一个图像。理解起来可能有点过于抽象，但这就是 EPE 的精髓。例如，如果波导的输入光束直径为 4 毫米，而没有 EPE 结构，则输出光瞳将保持为 4 毫米，因为波导除了传输光之外没有对光进行任何修改。这意味着您的眼睛只能在您的瞳孔中心在这 4 毫米范围内移动时才能清楚地看到虚拟图像。通过实施 EPE 结构，出瞳可以扩大到 10 毫米以上，从而产生更大的眼睛运动框。对于 AR 眼镜来说，eyebox 非常重要，它能够适应不同瞳孔间距的用户，视年龄、性别等而定，瞳孔间距范围从 51 毫米到 77 毫米不等。

该技术解决了AR眼镜产品设计中的诸多问题，如机械公差、产品SKU（如男女不同规格）、人体工程学和用户界面设计等。因此，EPE光波导推动了AR眼镜的发展。向消费级产品迈进。然而，没有免费的午餐。眼框的扩展是以平均后每个点的光输出减少为代价的。这是波导与传统方法相比具有较低光学效率的主要原因。

几何波导利用传统的几何光学设计过程、模拟工具和制造过程，不涉及任何花哨的亚波长结构。由于几何光学结构不会对颜色造成偏差，因此生成的图像质量可以非常高。然而，在制造过程中似乎存在挑战。一个挑战是半透反射镜的涂层。由于在波导内部传播过程中留下的光越来越少，因此每个反射镜所需的反射/透射比将不同，以保证整个眼盒内的光输出均匀。并且由于 LCOS 的特性使光具有偏振特性，LCOS 通常用作几何波导系统的微显示器，因此每个反射镜表面可以有十层以上的薄膜涂层。

此外，每块镜子经过镀膜工艺后，需要将它们堆叠并粘合在一起，然后以精确的角度切割。胶合和切割的精度也会影响玻璃板的平行度，从而影响图像质量。尽管每个步骤都是传统的光学制造，可能具有高良率，但将所有繁琐的步骤和部件组合在一起实现合理的总良率是相当具有挑战性的。任何工艺步骤的不精确都可能导致最终的虚像出现黑线、不均匀、重影等缺陷。此外，虽然制造的进步已经将微显示器关闭时镜面阵列的可见度降至最低，但我们依旧可以将它们视为目镜上的“条纹”，会阻挡正常视力并影响 AR 眼镜的外观。

资料来源于网络