探索基于波导的增强现实显示器的进展

近几十年来，增强现实(AR)已经从一个未来概念发展成为一项有形且普遍的技术。AR 通过将投影的虚拟内容与现实世界场景无缝融合，增强我们对环境的感知和交互。基于波导的 AR 显示器已成为可穿戴 AR 系统的一项关键技术，使其重量轻且外形纤薄，同时保持高光学性能。

波导组合器是基于波导的 AR 显示器的关键组件。它们充当光导，折叠光路并在广阔的区域复制小光源的亮度。这是通过称为出瞳扩展 (EPE) 的过程实现的，该过程反映了将单个入射光束复制为多个光束的过程，每个光束具有相同的强度。

在eLight杂志上发表的一篇新论文中，由中佛罗里达大学Shin-Tson Wu教授和中山大学梁浩文教授领导的科学家团队回顾了用于增强现实显示的波导组合器的发展。

波导组合器有多种不同类型，每种类型都有其自身的优点和缺点。最常见的类型包括几何波导组合器、衍射波导组合器和全息波导组合器。

几何波导组合器是最简单的类型，但它们体积庞大且视场有限。衍射波导组合器制造起来更复杂，但可以更薄并且具有更宽的视场。全息波导组合器是最先进的类型，制造成本昂贵。

波导组合器通常与光引擎一起使用来创建基于波导的 AR 显示器。光引擎是产生注入波导的光的组件。一些最常见的微显示光引擎类型包括硅基液晶、微型 LED、微型 OLED、激光束扫描和 MEMS。

波导合路器设计是一项具有挑战性的任务。设计人员必须考虑多种因素，例如光学性能、可制造性和成本。波导合束器设计中的一些关键挑战包括EPE方案设计、视场扩展、耦合器的前端几何设计、全彩显示、光学效率和均匀性优化。

波导组合器技术仍处于初步开发阶段，但它有可能彻底改变 AR 显示。设计人员正在努力克服当前的挑战，开发更高效、更经济且易于制造的新型波导组合器。

几何波导组合器具有潜在的大视场(FoV)、良好的均匀性、可忽略的眼辉和高效率，但它们的制造工艺更复杂且产量低。衍射波导组合器的效率相对较低，视场较小，而且还存在颜色不均匀、眼睛辉光和彩虹效应等问题。

提高衍射波导效率同时保持良好的均匀性是一项至关重要的挑战。衍射耦合器的 EPE 设计、制造方法和材料性能的进步可以增强衍射波导组合器以匹配几何波导组合器。

然而，目前VHG(体全息光栅)的折射率调制不足以将FoV扩展到50°以上，并且需要低成本、高质量的SRG(表面浮雕光栅)制造工艺。

PVG(偏振体光栅)是一种新型衍射耦合器，提供动态调制功能，扩展了基于波导的 AR 显示器的功能。

基于超表面的耦合器提供了广泛的设计自由度，实现了消色差特性等新颖的功能。设备工程和制造工艺的进一步进步预计将提高用于 AR 显示器的 PVG 和基于超表面的耦合器的性能。

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