AR眼镜被视为继手机、PC之后的下一代主流AI终端。然而，当前AR显示的光波导方案仍然存在技术瓶颈，导致全彩显示、大视场角、轻薄单片成为“不可能三角”。在2025世界显示产业创新发展大会期间，俄罗斯科学院外籍院士、南方科技大学讲席教授孙小卫在演讲和接受《中国电子报》采访的过程中，对AR眼镜光波导的技术路线进行了梳理，并阐释了以超表面波导破局“不可能三角”的思路。

光波导技术路线各有优缺点

AR眼镜追求轻薄形态的趋势，使光波导从棱镜、自由曲面等技术方案中脱颖而出，成为AR光学显示的主流方案。目前，几何光波导、衍射光波导等正在被越来越多的AR设备厂商采用。

“AR技术从出现到现在已有20年。我记得上世纪90年代在展会上第一次看到以色列企业Lumus的几何光波导产品，感觉非常惊艳，想了半天才慢慢明白图像是怎么出来的。现在又衍生出来许多光波导技术，包括全息光波导、SRG(表面浮雕光栅光波导)，最近我们也在做超表面光波导。所以光波导技术还是有很多种，处于不断的竞争中，但也逐渐有一些汇聚。”孙小卫向《中国电子报》记者表示。

在演讲中，孙小卫介绍了不同光波导技术的特点。

其中，几何光波导有着较高的光学效率，较好的显示色彩和视场角，但这种光学方案在加工工艺上，需要将多层镜片按照一个斜角磨平、镀膜，并叠在一起，难度较大，良率很低，成本偏高。Meta今年推出的Meta Ray-Ban Display就采用了几何光波导。

衍射光波导中的表面浮雕光栅光波导也是当前的主流技术之一，Meta Orion产品原型、Rokid Glasses等热门产品都采用了这一方案。其优势在于兼容CMOS工艺，有配套的半导体供应链，但也存在色散、亮度均匀性不足等问题，以及在采用高折射玻璃、树脂等常规基底材料时，视场角往往受到折射率的限制。

体全息、偏振体全息等全光工艺波导方案，虽然没有刻蚀和接触工艺，但对光的波长、入射角度较为敏感，材料瓶颈大，且缺乏配套的供应链，实现难度较大。目前索尼、尼卡光学、Meta等企业正在开展研究。

“几何光波导、衍射光波导是目前较为主流的AR光学方案——当然其他技术路径也有可能会克服现在的缺点，形成爆发之势，但是总体上来说，现在是沿着几何和衍射两个方向在发展。另外还有一种可能性，我们最近开发了超表面光波导，能提升效率并消除色散，呈现更好的显示效果，当然还有待时间的检验，让我们拭目以待。”孙小卫告诉记者。

AR显示仍存“不可能三角”

虽然市场上的AR眼镜品类日益丰富，但当前AR显示仍存在全彩显示、大视场角、单波导片（而非红绿蓝各一层波导片）难以兼顾的痛点。

首先是视场角受到色散的限制和波导折射率的影响。

在衍射光波导方案中，当红、绿、蓝三色光源耦入到波导片，光栅结构对不同颜色（不同波长）的光的衍射角度存在差异，导致色散。但是在光线耦出时，红绿蓝三个颜色必须同时被人眼捕捉，为了最大程度避免显示色偏，就需要限制视场角。

除了色散的影响，视场角的另外一个决定性因素是波导片的折射率，两者呈现正相关。Meta之所以在Meta Orion上采用碳化硅波导方案，就是因为碳化硅折射率达到2.6以上，能提供60度以上的全彩视场角。而玻璃的折射率一般在2.0以下，因而以玻璃为基底材料的AR眼镜全彩视场角多在30度。“假设不考虑色散的话，基底材料有2.0的折射率，最大视场角就能达到60度。”孙小卫说道。

其次是光波导的效率和均匀性。光通过耦入光栅进入光波导后，会在全反射的过程中不断被散射，强度越来越弱，导致屏幕亮度不均匀，这一点需要在设计光栅时着重考虑。

其三是双目色差和色彩补偿。比如在双目的光波导结构中，左右各有一个Micro-LED光引擎，左右眼看到的图像信息是不同的，需要通过补偿（Compensation）使色彩正常呈现。

此外，当前AR眼镜还存在彩虹纹、漏光等问题。

在一系列挑战下，传统光栅方案导致了全彩显示、大视场角与轻薄单片之间的“不可能三角”。要实现RGB全彩显示，视场角就会受限。如果要尽量保持视场角，可以采用红绿蓝三层波导片的方案，但又会导致眼镜的重量和成本上升。

超表面波导能否破局？

为了寻求兼顾AR眼镜全彩、沉浸、轻薄需求的显示方案，孙小卫团队将目光聚焦在超表面波导。据他介绍，超表面是在二维平面上，对经过它的光波前（光波的等相位面）进行逐点调制，包括光的振幅、相位、偏振等，使红绿蓝三色光偏转到同一个角度。“这是亚波长尺度的调控，设计难度很大，类似于在8K面板上对每个亚波长的像素点进行调控。”孙小卫表示。

为了实现对光学特性的调制，孙小卫团队开发了逆向设计算法，根据想要生成的光场反推需要什么样的调控，并不断优化材料设计参数。相比周期、占空比较为固定的传统光栅设计，这种超表面光学设计方案带来了更大的设计自由度，使摆脱色散、扩大视场角成为可能，且能够实现视场角内的均匀亮度。“传统光栅波导在中心视场（极窄的视场角内）的衍射效率是很高的，但稍微偏离一点，它的亮度就会降低。超表面波导能够消除色散，突破视场角极限，并保持亮度均匀性。”

此外，超表面波导可以实现单层波导片的全彩显示，使波导系统的重量相比三层设计降低了67%，并保持类似玻璃的通透性；另外，由于去掉了转折光栅，光耦入之后会不断扩展，更简洁地实现二维扩瞳；并且在制造工艺上，没有了镜片堆叠，有利于提升良率并降低成本。

“如果采用超表面波导，并将碳化硅作为基底材料，视场角可以做到100度—120度，且实现彩色的、沉浸的、单片的AR光学方案。”孙小卫说道。