增強現實（AR）便攜式和可穿戴設備的市場正在迅速增長。在各種硬件實現形式中，帶透明眼鏡的頭戴式顯示器（HMD）或近眼顯示器（NED）可提供最有效和身臨其境的AR體驗。由于其輕薄的特性，光波導被認為是消費級增強現實（AR）眼鏡的無與倫比的選擇，但由于其價格高昂和技術壁壘，它仍然被禁止。隨著諸如Hololens II和Magic Leap One之類的主流AR可穿戴設備采用波導解決方案并展示了其批量生產能力，以及最近披露的針對AR光模塊制造商DigiLens，NedAR和LingXi的融資新聞，波導已成為人們關注的焦點。 AR玻璃行業的熱門話題。

光波導在AR NED系統中如何工作？所謂的“陣列波導”，“幾何波導”，“衍射波導”，“全息波導”和“體積波導”之間是什么關系？波導是如何在使AR玻璃行業發生革命的過程中開發的？

1.光波導—隨需應變

光學系統通常由用于VR和AR近眼顯示器（NED）的微型顯示器和成像光學系統組成。微型顯示器可以像微型OLED或時尚的微型LED面板一樣主動提供圖像，也可以通過在基于液晶的顯示器（包括透射型LCD和反射型LCOS），數字微鏡器件（DMD）和激光上間接照明來間接提供圖像光束掃描儀（LBS）均由微機電系統（MEMS）啟用。與VR相似，顯示像素被成像到一定距離并形成虛擬圖像以投射到人眼。與VR不同，AR NED需要“透視”功能，以便眼睛能夠同時查看現實世界。成像系統無法阻擋正視圖，因此，這需要一個或幾個附加的光學元件來形成“光學組合器”。光學組合器反射虛擬圖像，同時將外部光傳輸到人眼，將虛擬內容疊加在真實場景的頂部，以使它們相互補充和“增強”。

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在AR NED市場上已經展示了多種光學組合器解決方案，這些解決方案通常以反射鏡或部分反射鏡，透鏡或棱鏡為代表。反射表面可以是平坦的，彎曲的或自由形成的，而某些表面可以是偏振的。在這里，我們使用一種簡單的方法對光學解決方案，它們在市場上的代表產品進行分類，并簡要比較它們的特性。由于有關不同光學解決方案的文章已經非常豐富，因此在此我們將不進行詳細介紹，而將重點放在光波導上。顯然，目前還沒有理想的解決方案，因此所有人都可以一起繁榮發展。每個AR玻璃產品都需要根據目標方案或用例選擇最合適的玻璃，

不過，在所有當前的光學解決方案中，我們認為，基于其光學性能，外觀和批量生產能力，光波導具有實現消費級AR眼鏡的最大潛力。

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2.波導技術的優缺點

光波導技術是最近作為一種獨特的光合路器而引入的，因為它通常不承載光功率。但是，這并不是一個全新的概念，其原理與通信網絡的光纖相同。唯一的區別是，在我們的案例中，后者傳輸的是紅外光而不是可見光。為了使光像游泳蛇一樣在波導內部來回反射，“全內反射（TIR）”是關鍵。要進行TIR，必須滿足兩個條件：（1）波導中的高折射率材料（n1> n2）；（2）光的入射角大于臨界角θc。

光學引擎生成虛擬圖像后，波導將圖像耦合，然后通過TIR在幾乎零泄漏的情況下將其傳輸到玻璃基板內部，然后在到達觀看者的眼睛位置時將圖像耦合出去。在整個過程中，波導通常不會影響圖像本身，因此它是獨立于成像系統的光學組合器。

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使用波導作為光學組合器的最大優勢是AR眼鏡設計中的空間優化。通過使微顯示器和成像光學器件不受干擾（位于額頭頂部或側面），不僅可以最大程度地減少視力障礙，還可以優化設備的重量平衡并改善人體工程學。下面列出了波導配置的優缺點，并將在本文的全文中進行解釋。

優點

大眼罩和改進的機械公差以適應更多的人群-1D和2D出瞳擴展。

視野清晰和重量平衡-波導將虛擬圖像傳輸到眼睛。

眼鏡外觀，接近消費品-扁平且薄的目鏡，良好的外部透光率。

適用于設計迭代和批量生產-具有定制輪廓，納米加工的平板玻璃基板。

多層可堆疊—在3D深度下創建不同深度的虛擬圖像。

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相對較低的光學效率-低的輸入/輸出耦合效率，并且犧牲了大眼罩。

幾何波導：復雜的制造工藝，可能的低成品率。

衍射波導：衍射引起的色散會導致彩虹和霧霾影響圖像質量。

衍射波導：高設計壁壘。

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3.波導類別和比較

如上所述，波導的主要部分是透明的薄玻璃基板（厚度通常在亞納米到幾納米之間變化），由于TIR的緣故，光在頂面和底面之間反射的光很少泄漏。如果對波導中允許進行TIR的輸入角度范圍進行計算，則會發現視場（FOV）受玻璃折射率的限制。因此，為了獲得更高的FOV，康寧和肖特等玻璃制造商正在以晶圓規模開發高折射率玻璃基板，特別是針對該市場。

使波導技術彼此不同的地方在于用于將光耦合進出波導的結構，它們之間通過光的TIR傳輸連接。光波導通常可分為幾何類型和衍射類型。幾何波導是所謂的“陣列波導””，它通過一系列透反射鏡在一個維度上擴展了眼盒。幾何波導的領先光學公司是Lumus。到目前為止，市場上還沒有成熟的AR玻璃產品，但數量很多。衍射波導覆蓋表面浮雕光柵（SRG）結構和體積全息光柵（VHG）結構。Hololens和Magic Leap都使用SRG結構，而Digilens則是VHG的先驅以及去年蘋果公司采用的Akonia。VHG技術相對不那么成熟，目前提供有限的FOV，但可能會提供更好的色彩性能。由于篇幅的限制，我們將首先介紹幾何波導，并將衍射波導保存到下一次。

（1）幾何波導

幾何波導大約是在二十年前首次引入的，并由以色列公司Lumus率先開發。如圖5（a）所示，來自光學引擎的光通過反射鏡或棱鏡結構耦合到波導中。當到達觀看者眼球正前方的位置時，玻璃基板內部會發生多個TIR反射，光線會遇到一系列透反射表面以釋放圖像。甲透反射（透射+反射）表面以一定角度嵌入波導基板內部，以將一部分光反射到我們的眼睛，并使其余的光通過以進一步傳播。它還可以傳輸來自現實世界的光，以用作光學組合器。然后，透射光遇到另一個透反射表面，并重復相同的透射和反射過程。

在常規的光學成像系統中，光僅通過所謂的“出射光瞳”出射。在此，透反射表面會重復幾次以提供相同的圖像輸出，從而在水平方向上擴大出瞳。這種設計稱為“一維出射光瞳擴展（EPE） ”。您可能想知道，多個出瞳會在我們的眼睛中造成雙像還是陰影像？不用擔心，出瞳只是虛擬圖像的“傅立葉平面”，人眼將通過其唯一的透鏡將該平面的角度信息轉換為空間信息。然后圖像在“圖像平面”上形成-我們的視網膜，所有處于相同角度的光線（即使它們來自不同的出瞳）也會合并到同一像素上，因此只能生成一張圖像。它可能有點抽象而無法理解，但這是EPE的本質。例如，如果到波導的輸入光束的直徑為4毫米，而沒有EPE結構，則輸出光瞳將保持為4毫米，因為波導除了傳輸光以外沒有對光進行任何修改。這意味著您的眼睛只能在瞳孔中心在此4毫米范圍內移動的情況下清楚地看到虛像。通過實施EPE結構，出瞳可以擴展到10毫米以上，從而使您的眼睛的運動盒更大。

對于AR眼鏡來說，眼盒對于適應不同瞳距的用戶來說非常重要，視年齡，性別等，瞳距在51毫米至77毫米之間。

該技術解決了AR眼鏡產品設計中的許多問題，例如機械公差，產品SKU（例如，男女的不同規格），人體工程學和用戶界面設計等。因此，采用EPE的光波導推動了AR眼鏡的發展。邁向消費級產品。但是，沒有免費的午餐。眼盒的擴展是以平均后每個點的光輸出較少為代價的。這是與常規方法相比波導具有較低光學效率的主要原因。

幾何波導利用常規的幾何光學設計過程，仿真工具和制造過程，而不涉及任何花哨的亞波長結構。由于幾何光學結構不會對顏色造成任何偏差，因此生成的圖像可以具有很高的質量。但是，在制造過程中似乎存在挑戰。挑戰之一是透反射鏡的涂層。由于在波導內部傳播期間留下的光越來越少，因此對于每個反射鏡而言，所需的反射/透射比將有所不同，以確保在整個眼盒內輸出均勻的光。而且由于光由于LCOS的性質而被偏振，而LCOS經常被用作幾何波導系統的微型顯示器，因此每個反射鏡的表面上可以具有十層以上的薄膜涂層。

此外，在對每個鏡子進行鍍膜處理之后，需要將它們堆疊并粘在一起，然后以精確的角度切割。膠合和切割的精度也會影響玻璃板的平行度，從而影響圖像質量。盡管每個步驟都是常規的光學制造工藝，并且可能具有很高的成品率，但是將所有繁瑣的步驟和部件組合在一起以實現合理的總成品率卻頗具挑戰性。任何處理步驟的不精確性都可能導致最終的虛擬圖像出現缺陷，例如黑線，不均勻性，重影等。此外，盡管制造進步已使微顯示關閉時鏡面陣列的可見度降至最低，但我們仍然可以在目鏡上將它們視為“條紋”，這會阻礙正常視力，并且還會影響AR眼鏡的外觀。