增强现实（AR）便携式和可穿戴设备的市场正在迅速增长。在各种硬件实现形式中，带透明眼镜的头戴式显示器（HMD）或近眼显示器（NED）可提供最有效和身临其境的AR体验。由于其轻薄的特性，光波导被认为是消费级增强现实（AR）眼镜的无与伦比的选择，但由于其价格高昂和技术壁垒，它仍然被禁止。随着诸如Hololens II和Magic Leap One之类的主流AR可穿戴设备采用波导解决方案并展示了其批量生产能力，以及最近披露的针对AR光模块制造商DigiLens，NedAR和LingXi的融资新闻，波导已成为人们关注的焦点。 AR玻璃行业的热门话题。
光波导在AR NED系统中如何工作？所谓的“阵列波导”，“几何波导”，“衍射波导”，“全息波导”和“体积波导”之间是什么关系？波导是如何在使AR玻璃行业发生革命的过程中开发的？
1.光波导—随需应变
光学系统通常由用于VR和AR近眼显示器（NED）的微型显示器和成像光学系统组成。微型显示器可以像微型OLED或时尚的微型LED面板一样主动提供图像，也可以通过在基于液晶的显示器（包括透射型LCD和反射型LCOS），数字微镜器件（DMD）和激光上间接照明来间接提供图像光束扫描仪（LBS）均由微机电系统（MEMS）启用。与VR相似，显示像素被成像到一定距离并形成虚拟图像以投射到人眼。与VR不同，AR NED需要“透视”功能，以便眼睛能够同时查看现实世界。成像系统无法阻挡正视图，因此，这需要一个或几个附加的光学元件来形成“光学组合器”。光学组合器反射虚拟图像，同时将外部光传输到人眼，将虚拟内容叠加在真实场景的顶部，以使它们相互补充和“增强”。
在AR NED市场上已经展示了多种光学组合器解决方案，这些解决方案通常以反射镜或部分反射镜，透镜或棱镜为代表。反射表面可以是平坦的，弯曲的或自由形成的，而某些表面可以是偏振的。在这里，我们使用一种简单的方法对光学解决方案，它们在市场上的代表产品进行分类，并简要比较它们的特性。由于有关不同光学解决方案的文章已经非常丰富，因此在此我们将不进行详细介绍，而将重点放在光波导上。显然，目前还没有理想的解决方案，因此所有人都可以一起繁荣发展。每个AR玻璃产品都需要根据目标方案或用例选择最合适的玻璃，
不过，在所有当前的光学解决方案中，我们认为，基于其光学性能，外观和批量生产能力，光波导具有实现消费级AR眼镜的最大潜力。
2.波导技术的优缺点
光波导技术是最近作为一种独特的光合路器而引入的，因为它通常不承载光功率。但是，这并不是一个全新的概念，其原理与通信网络的光纤相同。唯一的区别是，在我们的案例中，后者传输的是红外光而不是可见光。为了使光像游泳蛇一样在波导内部来回反射，“全内反射（TIR）”是关键。要进行TIR，必须满足两个条件：（1）波导中的高折射率材料（n1> n2）；（2）光的入射角大于临界角θc。
光学引擎生成虚拟图像后，波导将图像耦合，然后通过TIR在几乎零泄漏的情况下将其传输到玻璃基板内部，然后在到达观看者的眼睛位置时将图像耦合出去。在整个过程中，波导通常不会影响图像本身，因此它是独立于成像系统的光学组合器。
使用波导作为光学组合器的最大优势是AR眼镜设计中的空间优化。通过使微显示器和成像光学器件不受干扰（位于额头顶部或侧面），不仅可以最大程度地减少视力障碍，还可以优化设备的重量平衡并改善人体工程学。下面列出了波导配置的优缺点，并将在本文的全文中进行解释。
优点
大眼罩和改进的机械公差以适应更多的人群-1D和2D出瞳扩展。
视野清晰和重量平衡-波导将虚拟图像传输到眼睛。
眼镜外观，接近消费品-扁平且薄的目镜，良好的外部透光率。
适用于设计迭代和批量生产-具有定制轮廓，纳米加工的平板玻璃基板。
多层可堆叠—在3D深度下创建不同深度的虚拟图像。
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相对较低的光学效率-低的输入/输出耦合效率，并且牺牲了大眼罩。
几何波导：复杂的制造工艺，可能的低成品率。
衍射波导：衍射引起的色散会导致彩虹和雾霾影响图像质量。
衍射波导：高设计壁垒。
3.波导类别和比较
如上所述，波导的主要部分是透明的薄玻璃基板（厚度通常在亚纳米到几纳米之间变化），由于TIR的缘故，光在顶面和底面之间反射的光很少泄漏。如果对波导中允许进行TIR的输入角度范围进行计算，则会发现视场（FOV）受玻璃折射率的限制。因此，为了获得更高的FOV，康宁和肖特等玻璃制造商正在以晶圆规模开发高折射率玻璃基板，特别是针对该市场。
使波导技术彼此不同的地方在于用于将光耦合进出波导的结构，它们之间通过光的TIR传输连接。光波导通常可分为几何类型和衍射类型。几何波导是所谓的“阵列波导””，它通过一系列透反射镜在一个维度上扩展了眼盒。几何波导的领先光学公司是Lumus。到目前为止，市场上还没有成熟的AR玻璃产品，但数量很多。衍射波导覆盖表面浮雕光栅（SRG）结构和体积全息光栅（VHG）结构。Hololens和Magic Leap都使用SRG结构，而Digilens则是VHG的先驱以及去年苹果公司采用的Akonia。VHG技术相对不那么成熟，目前提供有限的FOV，但可能会提供更好的色彩性能。由于篇幅的限制，我们将首先介绍几何波导，并将衍射波导保存到下一次。
（1）几何波导
几何波导大约是在二十年前首次引入的，并由以色列公司Lumus率先开发。如图5（a）所示，来自光学引擎的光通过反射镜或棱镜结构耦合到波导中。当到达观看者眼球正前方的位置时，玻璃基板内部会发生多个TIR反射，光线会遇到一系列透反射表面以释放图像。甲透反射（透射+反射）表面以一定角度嵌入波导基板内部，以将一部分光反射到我们的眼睛，并使其余的光通过以进一步传播。它还可以传输来自现实世界的光，以用作光学组合器。然后，透射光遇到另一个透反射表面，并重复相同的透射和反射过程。
在常规的光学成像系统中，光仅通过所谓的“出射光瞳”出射。在此，透反射表面会重复几次以提供相同的图像输出，从而在水平方向上扩大出瞳。这种设计称为“一维出射光瞳扩展（EPE） ”。您可能想知道，多个出瞳会在我们的眼睛中造成双像还是阴影像？不用担心，出瞳只是虚拟图像的“傅立叶平面”，人眼将通过其唯一的透镜将该平面的角度信息转换为空间信息。然后图像在“图像平面”上形成-我们的视网膜，所有处于相同角度的光线（即使它们来自不同的出瞳）也会合并到同一像素上，因此只能生成一张图像。它可能有点抽象而无法理解，但这是EPE的本质。例如，如果到波导的输入光束的直径为4毫米，而没有EPE结构，则输出光瞳将保持为4毫米，因为波导除了传输光以外没有对光进行任何修改。这意味着您的眼睛只能在瞳孔中心在此4毫米范围内移动的情况下清楚地看到虚像。通过实施EPE结构，出瞳可以扩展到10毫米以上，从而使您的眼睛的运动盒更大。
对于AR眼镜来说，眼盒对于适应不同瞳距的用户来说非常重要，视年龄，性别等，瞳距在51毫米至77毫米之间。
该技术解决了AR眼镜产品设计中的许多问题，例如机械公差，产品SKU（例如，男女的不同规格），人体工程学和用户界面设计等。因此，采用EPE的光波导推动了AR眼镜的发展。迈向消费级产品。但是，没有免费的午餐。眼盒的扩展是以平均后每个点的光输出较少为代价的。这是与常规方法相比波导具有较低光学效率的主要原因。
几何波导利用常规的几何光学设计过程，仿真工具和制造过程，而不涉及任何花哨的亚波长结构。由于几何光学结构不会对颜色造成任何偏差，因此生成的图像可以具有很高的质量。但是，在制造过程中似乎存在挑战。挑战之一是透反射镜的涂层。由于在波导内部传播期间留下的光越来越少，因此对于每个反射镜而言，所需的反射/透射比将有所不同，以确保在整个眼盒内输出均匀的光。而且由于光由于LCOS的性质而被偏振，而LCOS经常被用作几何波导系统的微型显示器，因此每个反射镜的表面上可以具有十层以上的薄膜涂层。
此外，在对每个镜子进行镀膜处理之后，需要将它们堆叠并粘在一起，然后以精确的角度切割。胶合和切割的精度也会影响玻璃板的平行度，从而影响图像质量。尽管每个步骤都是常规的光学制造工艺，并且可能具有很高的成品率，但是将所有繁琐的步骤和部件组合在一起以实现合理的总成品率却颇具挑战性。任何处理步骤的不精确性都可能导致最终的虚拟图像出现缺陷，例如黑线，不均匀性，重影等。此外，尽管制造进步已使微显示关闭时镜面阵列的可见度降至最低，但我们仍然可以在目镜上将它们视为“条纹”，这会阻碍正常视力，并且还会影响AR眼镜的外观。
