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一文看懂主流AR眼镜的核心显示技术——光波导屏蔽材料应用

时间：2022-01-16浏览次数：1468

光波导，因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。

那么，光波导的工作原理是怎样的？市面上林林总总的阵列光波导、几何光波导、衍射光波导、全息光波导、多层光波导又有什么不同？它又是如何一步步改变AR眼镜市场格局的？我们更看好哪一种光波导技术，为什么？

接下来，就让Rokid R-lab光学研究科学家、美国加州伯克利大学电子工程系博士李琨为你娓娓道来。

一、光波导，一个应AR眼镜需求而生的光学方案

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域，它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。

不同之处在于，AR眼镜需要透视(see-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(optical combiner)，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充，互相“增强”。

图 1. (a) 虚拟现实(VR)近眼显示系统的示意图; (b) 增强现实(AR)近眼显示系统的示意图。NED：近眼显示(Near-eye display，简称NED)

AR设备的光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。概括来说，目前市场上的AR眼镜采用的显示系统就是各种微型显示屏和棱镜、自由曲面、BirdBath、光波导等光学元件的组合，其中光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。

微型显示屏，用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。

这里做了一张简单的AR光学显示系统的分类和产品举例：

很显然，完美的光学方案还没有出现，才有目前市场上百家争鸣、百花齐放的状态，这需要AR眼镜的产品设计者依据应用场景、产品定位等来做权衡取舍。

我们认为，光波导方案从光学效果、外观形态，和量产前景来说，都具备更好的发展潜力，可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选。

二、光波导是如何工作的

在上述光学成像元件中，光波导屏蔽材料技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件，因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产，关于光波导的讨论热度也在持续增加。

其实，波导技术并不是什么新发明，我们熟悉的光通信系统中，用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，就是波导的一种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。

在AR眼镜中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。

简单来说达到全反射需要满足两个条件：

(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图2所示n1> n2);

(2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc。