01光波導(dǎo)的技術(shù)原理

光波導(dǎo)的核心作用，是在保持鏡片高透明度的前提下，將微顯示器產(chǎn)生的圖像高效、準(zhǔn)確地傳遞至人眼。其基本原理是通過在透明介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)建特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)光線進(jìn)行定向耦入、多次受控傳播，并最終以預(yù)設(shè)角度出射進(jìn)入眼睛。

與傳統(tǒng)顯示方案依賴復(fù)雜外置光學(xué)系統(tǒng)不同，光波導(dǎo)將“成像路徑”集成于鏡片內(nèi)部，使顯示系統(tǒng)與眼鏡形態(tài)天然融合。這種方式不僅顯著降低了整體體積和重量，也為 AR 設(shè)備實(shí)現(xiàn)長時(shí)間佩戴、日常使用奠定了基礎(chǔ)。

從本質(zhì)上看，光波導(dǎo)并不是單純的“顯示器件”，而是一種在顯示性能、佩戴體驗(yàn)與工業(yè)設(shè)計(jì)之間取得平衡的光學(xué)解決方案。

圖片來源：《近眼顯示偏振體全息光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)及光學(xué)性能研究》林子健

02光波導(dǎo)技術(shù)分類

根據(jù)光線耦合與傳輸方式的不同，當(dāng)前主流光波導(dǎo)技術(shù)主要分為幾何（陣列）光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)。其中，衍射光波導(dǎo)又細(xì)分為表面浮雕光柵和體全息兩大技術(shù)方向。

1. 幾何光波導(dǎo)（陣列光波導(dǎo)）

幾何光波導(dǎo)通過多組半透半反鏡面構(gòu)成的反射陣列，引導(dǎo)光線在鏡片內(nèi)部逐級(jí)傳播并最終成像。

- 優(yōu)勢(shì)：成像清晰、光學(xué)效率高。

- 局限：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度和重量控制難度較高，良率較低，整體形態(tài)不利于消費(fèi)級(jí)眼鏡的設(shè)計(jì)。

幾何光波導(dǎo)更適合對(duì)顯示質(zhì)量要求極高、對(duì)體積限制相對(duì)寬松的專業(yè)或工業(yè)場(chǎng)景。

圖片來源：《增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)近眼顯示設(shè)備中光波導(dǎo)元件的研究進(jìn)展》姜玉婷、張毅、胡躍強(qiáng)等

2. 表面浮雕光柵波導(dǎo)（SRG 衍射光波導(dǎo)）

SRG 波導(dǎo)通過在鏡片表面加工微納周期光柵，利用衍射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光線耦合與出射。

- 優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)輕薄，工藝路徑相對(duì)成熟，具備較好的規(guī)模化潛力。

- 挑戰(zhàn)：光效偏低（通常低于 1%），容易產(chǎn)生彩虹效應(yīng)和色彩均勻性問題，對(duì)光源亮度和系統(tǒng)功耗要求較高。

該方案在輕量化方面具備優(yōu)勢(shì)，但在顯示質(zhì)量和能效層面仍存在明顯瓶頸。

3. 偏振體全息光波導(dǎo)（PVG 光波導(dǎo)）

體全息光波導(dǎo)通過體全息干涉技術(shù)，在材料內(nèi)部形成體相位光柵，實(shí)現(xiàn)更高效率的光線調(diào)控。

- 優(yōu)勢(shì)：光效更高、色彩均勻性好、無彩虹效應(yīng)，天然支持全彩顯示。

- 挑戰(zhàn)：對(duì)材料、曝光與封裝工藝要求高，早期量產(chǎn)難度較大。

從技術(shù)演進(jìn)路徑來看，體全息光波導(dǎo)更符合消費(fèi)級(jí) AR 對(duì)“顯示質(zhì)量 + 外觀形態(tài) + 能效”的綜合需求。

圖片來源：《近眼顯示偏振體全息光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)及光學(xué)性能研究》林子健

03光波導(dǎo)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)

光波導(dǎo)之所以成為 AR 眼鏡的核心顯示方案，源于其在多個(gè)關(guān)鍵維度上的系統(tǒng)性優(yōu)勢(shì)。

1. 輕薄化能力

鏡片厚度可控制在毫米甚至亞毫米級(jí)，為眼鏡形態(tài)設(shè)計(jì)提供了充分自由度。

2. 高透光率

虛實(shí)融合的自然觀感，同時(shí)降低長時(shí)間佩戴帶來的視覺疲勞。

3. 視場(chǎng)角擴(kuò)展?jié)摿?/p>

通過光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化，光波導(dǎo)具備持續(xù)拓展 FOV 的工程空間，是通向沉浸式體驗(yàn)的必要路徑。

4. 日常佩戴友好性

在外觀、重量和舒適度層面，更接近普通眼鏡，是 AR 從“設(shè)備”走向“穿戴品”的關(guān)鍵前提。

04光波導(dǎo)面臨的挑戰(zhàn)

盡管光波導(dǎo)，尤其是體全息光波導(dǎo)，被普遍認(rèn)為是 AR 顯示的最優(yōu)路徑，但其規(guī)?；瘧?yīng)用仍面臨現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

第一，視場(chǎng)角仍需持續(xù)突破

當(dāng)前主流產(chǎn)品集中在 30°–40° 區(qū)間，與真正沉浸式體驗(yàn)仍存在距離。

第二，光效仍有優(yōu)化空間

在更高亮度、復(fù)雜戶外場(chǎng)景下，對(duì)光能利用率提出了更嚴(yán)苛要求。

第三，量產(chǎn)一致性

光波導(dǎo)的商業(yè)價(jià)值，不取決于“是否做得出來”，而取決于“是否能穩(wěn)定做出來”。

05簡單小結(jié)

從產(chǎn)業(yè)視角看，具備長期競(jìng)爭力的光波導(dǎo)方案，必須同時(shí)滿足顯示質(zhì)量、工程可實(shí)現(xiàn)性與量產(chǎn)可復(fù)制性三項(xiàng)關(guān)鍵條件。體全息光波導(dǎo)正是在這三個(gè)維度上形成突破的技術(shù)路線，在提升亮度與分辨率的同時(shí)，顯著改善了色彩一致性與顯示穩(wěn)定性，更契合消費(fèi)級(jí) AR 的顯示需求。

目前，基于自研的 PVG 光波導(dǎo)技術(shù)，谷東智能已完成從技術(shù)驗(yàn)證向產(chǎn)業(yè)落地的過渡，并建成 20 萬片級(jí) PVG 全息光波導(dǎo)12寸晶圓自動(dòng)化產(chǎn)線，在實(shí)際交付中持續(xù)優(yōu)化良率與一致性控制，使體全息光波導(dǎo)逐步具備面向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著 PVG 光波導(dǎo)在顯示性能與量產(chǎn)能力上的不斷成熟，體全息光波導(dǎo)正從“技術(shù)可行”走向“產(chǎn)業(yè)可用”，有望推動(dòng) AR 眼鏡從小規(guī)模探索加速邁向大眾消費(fèi)階段。