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16
2025
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05
AR眼镜中的单层消色差衍射光波导
作者：
AR眼镜近几年好像发展得很快；很多人认为这是最有可能在未来取代手机的设备。国内也有很多消费级市场的厂商，如雷鸟创新，XREAL（优奈柯恩（北京）科技有限公司），Rokid（杭州灵伴科技有限公司），INMO（四川影目科技有限公司）等。
AR眼镜中的一个核心器件是光波导，它在增强现实设备中起到了关键作用。光波导就是利用光学中的全反射原理进行信息传播，为用户提供沉浸式的视觉体验。
光波导的核心指标包括以下几个方面：
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视场角（FOV）：决定了用户能够看到的虚拟图像范围，更大的视场角可以带来更广阔的视野体验。 -
眼动范围（Eye Box）：指用户眼睛可以自由移动的范围，更大的眼动范围提高了佩戴舒适性。 -
衍射效率：影响图像亮度和清晰度，高效的衍射光波导能减少光损失，提升显示效果。
这些指标共同决定了衍射光波导的性能，进而影响AR眼镜的整体体验。
比较主流的光波导实现方式是几何光波导和衍射光波导。几何光波导的光学性能很好，基本没有明显的色差问题。但是加工的良率很低，面临着很大的量产问题（几何光波导为了实现扩瞳，波导内需要很多不同反射/透射效率的膜层，膜系是非常复杂的）。
目前，衍射光波导是一条有效的实施途径。它的加工没有几何光波导那样复杂，但是它存在明显的色差问题。因为衍射本身固有的色散确实难以达理想的消色差结果。目前有很多工作开始着手使用SiC这种材料了，大折射率确实给设计提供了更大的设计空间，也提供了更强色散补偿的可能。同时，也有很多关于非局域结构的研究，该类结构可能有望突破传统局域结构受限于共振带宽和散射能力有限所导致的色散补偿不足和模式阻抗失配的技术瓶颈。
目前，很多研究在关注集成度高，体积轻薄的单层衍射光波导实现消色差的信息图像传播。最近也有几篇类似的研究。笔者也尝试设计过类似的结构，衍射效率如下：
对于衍射效率笔者一直存在一个疑惑，都说现在衍射光波导效率低，是真的低吗？还是因为它需要扩瞳，这样单次出射的效率不得不低。 此外，实际使用中衍射效率的均匀性的要求也很高吧，否则彩虹效应会非常明显。设计上三色效率的均匀性的优先级是否要高于衍射效率？
单纯设计衍射效率超高的消色差单层光波导意义大不大。笔者一直考虑通过在周期结构中设置折射率间断点来设计衍射光波导，通过优化折射率间断点的位置来寻求合适结构的衍射光波导。但是不知道何为恰当的目标优化函数（主要是笔者不了解实际应用中，衍射光波导性能指标的优先级）。
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