AR眼鏡被視為繼手機(jī)、PC之后的下一代主流AI終端。然而，當(dāng)前AR顯示的光波導(dǎo)方案仍然存在技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致全彩顯示、大視場(chǎng)角、輕薄單片成為“不可能三角”。在2025世界顯示產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會(huì)期間，俄羅斯科學(xué)院外籍院士、南方科技大學(xué)講席教授孫小衛(wèi)在演講和接受《中國(guó)電子報(bào)》采訪的過程中，對(duì)AR眼鏡光波導(dǎo)的技術(shù)路線進(jìn)行了梳理，并闡釋了以超表面波導(dǎo)破局“不可能三角”的思路。

光波導(dǎo)技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)

AR眼鏡追求輕薄形態(tài)的趨勢(shì)，使光波導(dǎo)從棱鏡、自由曲面等技術(shù)方案中脫穎而出，成為AR光學(xué)顯示的主流方案。目前，幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)等正在被越來越多的AR設(shè)備廠商采用。

“AR技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在已有20年。我記得上世紀(jì)90年代在展會(huì)上第一次看到以色列企業(yè)Lumus的幾何光波導(dǎo)產(chǎn)品，感覺非常驚艷，想了半天才慢慢明白圖像是怎么出來的?，F(xiàn)在又衍生出來許多光波導(dǎo)技術(shù)，包括全息光波導(dǎo)、SRG(表面浮雕光柵光波導(dǎo))，最近我們也在做超表面光波導(dǎo)。所以光波導(dǎo)技術(shù)還是有很多種，處于不斷的競(jìng)爭(zhēng)中，但也逐漸有一些匯聚?！睂O小衛(wèi)向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示。

在演講中，孫小衛(wèi)介紹了不同光波導(dǎo)技術(shù)的特點(diǎn)。

其中，幾何光波導(dǎo)有著較高的光學(xué)效率，較好的顯示色彩和視場(chǎng)角，但這種光學(xué)方案在加工工藝上，需要將多層鏡片按照一個(gè)斜角磨平、鍍膜，并疊在一起，難度較大，良率很低，成本偏高。Meta今年推出的Meta Ray-Ban Display就采用了幾何光波導(dǎo)。

衍射光波導(dǎo)中的表面浮雕光柵光波導(dǎo)也是當(dāng)前的主流技術(shù)之一，Meta Orion產(chǎn)品原型、Rokid Glasses等熱門產(chǎn)品都采用了這一方案。其優(yōu)勢(shì)在于兼容CMOS工藝，有配套的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，但也存在色散、亮度均勻性不足等問題，以及在采用高折射玻璃、樹脂等常規(guī)基底材料時(shí)，視場(chǎng)角往往受到折射率的限制。

體全息、偏振體全息等全光工藝波導(dǎo)方案，雖然沒有刻蝕和接觸工藝，但對(duì)光的波長(zhǎng)、入射角度較為敏感，材料瓶頸大，且缺乏配套的供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)難度較大。目前索尼、尼卡光學(xué)、Meta等企業(yè)正在開展研究。

“幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)是目前較為主流的AR光學(xué)方案——當(dāng)然其他技術(shù)路徑也有可能會(huì)克服現(xiàn)在的缺點(diǎn)，形成爆發(fā)之勢(shì)，但是總體上來說，現(xiàn)在是沿著幾何和衍射兩個(gè)方向在發(fā)展。另外還有一種可能性，我們最近開發(fā)了超表面光波導(dǎo)，能提升效率并消除色散，呈現(xiàn)更好的顯示效果，當(dāng)然還有待時(shí)間的檢驗(yàn)，讓我們拭目以待?！睂O小衛(wèi)告訴記者。

AR顯示仍存“不可能三角”

雖然市場(chǎng)上的AR眼鏡品類日益豐富，但當(dāng)前AR顯示仍存在全彩顯示、大視場(chǎng)角、單波導(dǎo)片（而非紅綠藍(lán)各一層波導(dǎo)片）難以兼顧的痛點(diǎn)。

首先是視場(chǎng)角受到色散的限制和波導(dǎo)折射率的影響。

在衍射光波導(dǎo)方案中，當(dāng)紅、綠、藍(lán)三色光源耦入到波導(dǎo)片，光柵結(jié)構(gòu)對(duì)不同顏色（不同波長(zhǎng)）的光的衍射角度存在差異，導(dǎo)致色散。但是在光線耦出時(shí)，紅綠藍(lán)三個(gè)顏色必須同時(shí)被人眼捕捉，為了最大程度避免顯示色偏，就需要限制視場(chǎng)角。

除了色散的影響，視場(chǎng)角的另外一個(gè)決定性因素是波導(dǎo)片的折射率，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)。Meta之所以在Meta Orion上采用碳化硅波導(dǎo)方案，就是因?yàn)樘蓟枵凵渎蔬_(dá)到2.6以上，能提供60度以上的全彩視場(chǎng)角。而玻璃的折射率一般在2.0以下，因而以玻璃為基底材料的AR眼鏡全彩視場(chǎng)角多在30度?！凹僭O(shè)不考慮色散的話，基底材料有2.0的折射率，最大視場(chǎng)角就能達(dá)到60度。”孫小衛(wèi)說道。

其次是光波導(dǎo)的效率和均勻性。光通過耦入光柵進(jìn)入光波導(dǎo)后，會(huì)在全反射的過程中不斷被散射，強(qiáng)度越來越弱，導(dǎo)致屏幕亮度不均勻，這一點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)光柵時(shí)著重考慮。

其三是雙目色差和色彩補(bǔ)償。比如在雙目的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，左右各有一個(gè)Micro-LED光引擎，左右眼看到的圖像信息是不同的，需要通過補(bǔ)償（Compensation）使色彩正常呈現(xiàn)。

此外，當(dāng)前AR眼鏡還存在彩虹紋、漏光等問題。

在一系列挑戰(zhàn)下，傳統(tǒng)光柵方案導(dǎo)致了全彩顯示、大視場(chǎng)角與輕薄單片之間的“不可能三角”。要實(shí)現(xiàn)RGB全彩顯示，視場(chǎng)角就會(huì)受限。如果要盡量保持視場(chǎng)角，可以采用紅綠藍(lán)三層波導(dǎo)片的方案，但又會(huì)導(dǎo)致眼鏡的重量和成本上升。

超表面波導(dǎo)能否破局？

為了尋求兼顧AR眼鏡全彩、沉浸、輕薄需求的顯示方案，孫小衛(wèi)團(tuán)隊(duì)將目光聚焦在超表面波導(dǎo)。據(jù)他介紹，超表面是在二維平面上，對(duì)經(jīng)過它的光波前（光波的等相位面）進(jìn)行逐點(diǎn)調(diào)制，包括光的振幅、相位、偏振等，使紅綠藍(lán)三色光偏轉(zhuǎn)到同一個(gè)角度?！斑@是亞波長(zhǎng)尺度的調(diào)控，設(shè)計(jì)難度很大，類似于在8K面板上對(duì)每個(gè)亞波長(zhǎng)的像素點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控?！睂O小衛(wèi)表示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)特性的調(diào)制，孫小衛(wèi)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了逆向設(shè)計(jì)算法，根據(jù)想要生成的光場(chǎng)反推需要什么樣的調(diào)控，并不斷優(yōu)化材料設(shè)計(jì)參數(shù)。相比周期、占空比較為固定的傳統(tǒng)光柵設(shè)計(jì)，這種超表面光學(xué)設(shè)計(jì)方案帶來了更大的設(shè)計(jì)自由度，使擺脫色散、擴(kuò)大視場(chǎng)角成為可能，且能夠?qū)崿F(xiàn)視場(chǎng)角內(nèi)的均勻亮度?！皞鹘y(tǒng)光柵波導(dǎo)在中心視場(chǎng)（極窄的視場(chǎng)角內(nèi)）的衍射效率是很高的，但稍微偏離一點(diǎn)，它的亮度就會(huì)降低。超表面波導(dǎo)能夠消除色散，突破視場(chǎng)角極限，并保持亮度均勻性。”

此外，超表面波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)單層波導(dǎo)片的全彩顯示，使波導(dǎo)系統(tǒng)的重量相比三層設(shè)計(jì)降低了67%，并保持類似玻璃的通透性；另外，由于去掉了轉(zhuǎn)折光柵，光耦入之后會(huì)不斷擴(kuò)展，更簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳；并且在制造工藝上，沒有了鏡片堆疊，有利于提升良率并降低成本。

“如果采用超表面波導(dǎo)，并將碳化硅作為基底材料，視場(chǎng)角可以做到100度—120度，且實(shí)現(xiàn)彩色的、沉浸的、單片的AR光學(xué)方案?！睂O小衛(wèi)說道。