AR眼鏡被視為繼手機、PC之后的下一代主流AI終端。然而，當前AR顯示的光波導方案仍然存在技術瓶頸，導致全彩顯示、大視場角、輕薄單片成為“不可能三角”。在2025世界顯示產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會期間，俄羅斯科學院外籍院士、南方科技大學講席教授孫小衛(wèi)在演講和接受《中國電子報》采訪的過程中，對AR眼鏡光波導的技術路線進行了梳理，并闡釋了以超表面波導破局“不可能三角”的思路。

光波導技術路線各有優(yōu)缺點

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

“AR技術從出現(xiàn)到現(xiàn)在已有20年。我記得上世紀90年代在展會上第一次看到以色列企業(yè)Lumus的幾何光波導產品，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技術，包括全息光波導、SRG(表面浮雕光柵光波導)，最近我們也在做超表面光波導。所以光波導技術還是有很多種，處于不斷的競爭中，但也逐漸有一些匯聚?！睂O小衛(wèi)向《中國電子報》記者表示。

在演講中，孫小衛(wèi)介紹了不同光波導技術的特點。

其中，幾何光波導有著較高的光學效率，較好的顯示色彩和視場角，但這種光學方案在加工工藝上，需要將多層鏡片按照一個斜角磨平、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。

衍射光波導中的表面浮雕光柵光波導也是當前的主流技術之一，Meta Orion產品原型、Rokid Glasses等熱門產品都采用了這一方案。其優(yōu)勢在于兼容CMOS工藝，有配套的半導體供應鏈，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，視場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方案，雖然沒有刻蝕和接觸工藝，但對光的波長、入射角度較為敏感，材料瓶頸大，且缺乏配套的供應鏈，實現(xiàn)難度較大。目前索尼、尼卡光學、Meta等企業(yè)正在開展研究。

“幾何光波導、衍射光波導是目前較為主流的AR光學方案——當然其他技術路徑也有可能會克服現(xiàn)在的缺點，形成爆發(fā)之勢，但是總體上來說，現(xiàn)在是沿著幾何和衍射兩個方向在發(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，能提升效率并消除色散，呈現(xiàn)更好的顯示效果，當然還有待時間的檢驗，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”

雖然市場上的AR眼鏡品類日益豐富，但當前AR顯示仍存在全彩顯示、大視場角、單波導片（而非紅綠藍各一層波導片）難以兼顧的痛點。

首先是視場角受到色散的限制和波導折射率的影響。

在衍射光波導方案中，當紅、綠、藍三色光源耦入到波導片，光柵結構對不同顏色（不同波長）的光的衍射角度存在差異，導致色散。但是在光線耦出時，紅綠藍三個顏色必須同時被人眼捕捉，為了最大程度避免顯示色偏，就需要限制視場角。

除了色散的影響，視場角的另外一個決定性因素是波導片的折射率，兩者呈現(xiàn)正相關。Meta之所以在Meta Orion上采用碳化硅波導方案，就是因為碳化硅折射率達到2.6以上，能提供60度以上的全彩視場角。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眼鏡全彩視場角多在30度?！凹僭O不考慮色散的話，基底材料有2.0的折射率，最大視場角就能達到60度。”孫小衛(wèi)說道。

其次是光波導的效率和均勻性。光通過耦入光柵進入光波導后，會在全反射的過程中不斷被散射，強度越來越弱，導致屏幕亮度不均勻，這一點需要在設計光柵時著重考慮。

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

此外，當前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)光柵方案導致了全彩顯示、大視場角與輕薄單片之間的“不可能三角”。要實現(xiàn)RGB全彩顯示，視場角就會受限。如果要盡量保持視場角，可以采用紅綠藍三層波導片的方案，但又會導致眼鏡的重量和成本上升。

超表面波導能否破局？

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)團隊將目光聚焦在超表面波導。據他介紹，超表面是在二維平面上，對經過它的光波前（光波的等相位面）進行逐點調制，包括光的振幅、相位、偏振等，使紅綠藍三色光偏轉到同一個角度?！斑@是亞波長尺度的調控，設計難度很大，類似于在8K面板上對每個亞波長的像素點進行調控?！睂O小衛(wèi)表示。

為了實現(xiàn)對光學特性的調制，孫小衛(wèi)團隊開發(fā)了逆向設計算法，根據想要生成的光場反推需要什么樣的調控，并不斷優(yōu)化材料設計參數。相比周期、占空比較為固定的傳統(tǒng)光柵設計，這種超表面光學設計方案帶來了更大的設計自由度，使擺脫色散、擴大視場角成為可能，且能夠實現(xiàn)視場角內的均勻亮度。“傳統(tǒng)光柵波導在中心視場（極窄的視場角內）的衍射效率是很高的，但稍微偏離一點，它的亮度就會降低。超表面波導能夠消除色散，突破視場角極限，并保持亮度均勻性。”

此外，超表面波導可以實現(xiàn)單層波導片的全彩顯示，使波導系統(tǒng)的重量相比三層設計降低了67%，并保持類似玻璃的通透性；另外，由于去掉了轉折光柵，光耦入之后會不斷擴展，更簡潔地實現(xiàn)二維擴瞳；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，并將碳化硅作為基底材料，視場角可以做到100度—120度，且實現(xiàn)彩色的、沉浸的、單片的AR光學方案?！睂O小衛(wèi)說道。