还记得第一代像砖头一样大小而且只能拿在手里的手机吗？ 现在，它们已成为时尚而功能强大的奇迹，我们只需一秒钟就能将其放入口袋或钱包中，并且离不开它们。
增强现实 (AR) 眼镜也即将发生类似的转变，目标是变得像传统眼镜一样舒适且易于佩戴。微处理器、传感器和连接方面的技术进步已经结合起，共同支持这一转变。
但 AR 设备仍然面临的最大技术挑战之一是显示屏本身。具体来说，问题在于创造出满足人类视觉系统严格性能要求的显示屏，同时显示屏还要小且轻。当然，生产成本也要低廉。
AR 头显设计目标
要实现这一切，需要 AR 显示屏设计师同时满足多个不同的目标。首先，AR 眼镜的整体尺寸、重量和重心必须保证其足够舒适，可以长时间佩戴。
其次，显示屏的视觉特性有几个重要的要求。我们可能只是将其中一些东西归于“清爽”标签下。这包括角分辨率和填充系数（像素之间的空白空间）等属性。色域和色彩准确度也需要考虑。
另外，显示屏还需要提供立体感。也就是说，头显所显示物体的外观尺寸、距离和位置必须与现实世界的直接视图正确匹配。当佩戴者或外部物体移动时，显示屏需要以足够快的速度更新。
融合立体图像（由显示屏呈现的单独左眼和右眼视图在大脑中创造）是否容易实现也至关重要，因为此问题几乎会立即导致大多数人眼睛疲劳和不适。如果您不相信这一点，只需询问人们对 3D 电影的看法即可。
围绕“沉浸感”的概念还有一些其他关键考虑因素。具体来说，随着显示屏覆盖的佩戴者视野扩大，沉浸感会增强。从技术上讲，这称为显示屏视场 (FOV)。还需要注意的是，消费型 AR 眼镜需要满足具有各种头部尺寸和眼睛间距（称为瞳距或 IPD）的人群的所有这些要求。
波导展现光明前景
正如我们之前关于 AR 技术的博客中详细介绍的那样，AR 头显面临的特殊挑战是显示屏并不位于观看者眼睛的正前方。相比之下，在 VR 头显中，观看者直视显示屏，并使用光学器件使其显得更远、更大。但是，从光学角度来说，这是一个相对简单的任务。
AR 头显的光学器件必须使用一种称为“光学组合器”的透明部件，它传输来自外部的光，这样使用者就能够直接看到现实世界。另外，它必须将显示屏引擎输出从组合器的边缘引导到中心，然后将其重定向到观看者的眼睛。这样计算机生成的图像就会叠加在现实世界视图上。这项任务比 VR 头显光学器件执行的任务复杂得多。
为此，人们开发出了各种非常巧妙的光学系统，其中平面波导是目前使用的最有前途的技术之一。平面波导就像一个微小的透明通道，将光线从显示屏引擎引导向观看者的眼睛。波导利用“全内反射”(TIR) 现象将光限制在自身内部，这与光纤中使用的原理相同。
当光从密度较大的材料（如玻璃）进入密度较低的介质（如空气）时，就会发生 TIR。在这种情况下，光线会发生折射 — 它会改变方向。折射是镜片的工作方式。
但是，如果光线以足够大的角度撞击两种材料之间的边界，它将被完全反射回来，根本不会离开材料。光线无法射出材料的角度称为“临界角”。
从材料射出进入空气的光线会发生折射（改变方向）。但是，在入射角较大的情况下，它们会完全反射回材料中，根本无法逸出。材料的折射率越高，这种效应开始发生的角度越小。
要在 AR 眼镜中利用这种现象，只需想象一下“内耦合器”允许来自显示屏引擎的光以大于临界角的角度引入波导。然后，光线将在玻璃内传播并纳入 TIR。在组合器的中心，光线遇到“输出耦合器”，然后就会被提取并引导至观看者的眼睛。
在基于波导的 AR 头显中，使用输入耦合器将来自显示屏的光引入波导边缘附近。然后，它利用 TIR 穿过波导，并在到达观看者眼睛正前方时耦合输出。
实际制造这样的波导需要大量的技术攻关，极为复杂。但它们确实有效并且已经投入使用。
波导的好处在于，它们能够使头显的外观和感觉与普通眼镜非常相似。这样我们就能朝着目标迈进，即拥有一款足够小、重量轻且易于使用的产品，以赢得消费者的广泛认可。
颠覆性的波导材料
波导发挥作用要依靠 TIR，对此有一件重要的事情需要了解。即随着材料折射率的增加，光线以较小的角度照射到表面时就会发生 TIR。这意味着它们会在更宽的角度范围内反射。
这意味着使用更高折射率的波导材料可以实现更宽的视场。FOV 是 AR 系统设计人员努力实现的沉浸式体验的关键。
由折射率较高的材料制成的波导可以为观看者提供更大的视野，从而增强沉浸感。
问题在于，传统光学玻璃的折射率很低，严重限制了用上述波导类型可实现的视场。玻璃制造商已开发出折射率更高的材料来应对此问题。他们的工作成果令人印象深刻。但他们无法克服材料的根本局限性。目前，玻璃可实现的最高折射率约为 2.0。
但除了玻璃之外，还有其他材料可以传输可见光。其中一些材料不仅具有较高的折射率，还具有其他理想的物理特性。其中两种是晶体材料：铌酸锂 (LiNbO₃)，其折射率为 2.3；和碳化硅 (SiC)，其折射率为 2.7。
波导折射率与显示屏 FOV 之间的理论关系如图所示。即使使用折射率最高的玻璃，SiC 也有望将显示屏视场扩大一倍。因此它为 AR 眼镜设计人员带来了颠覆性改变。
波导材料折射率与 AR 显示屏最大可能 FOV 之间的理论关系。与玻璃材料相比，LiNbO₃ 和 SiC 都具有巨大的优势。
除了更大的视场之外，高折射率材料还有另一个优点。当前的波导设计通常使用两个或三个独立的镜片 — 一个用于每种颜色（或一个用于两种颜色）。特别需要指出的是，由于 SiC 的折射率较高，因此有可能将所有三种颜色通道（红色、绿色和蓝色）组合到单个波导中。这将显著改善头显的尺寸、重量和成本。此外，SiC 是一种极其坚固且轻便的材料。
LiNbO₃ 和 SiC 都比高折射率玻璃实用且具有性能优势，但成本也更高。另一方面，使用它们可以降低整个系统和制造的复杂性，从而降低生产成本。
Coherent 相信这些材料可以帮助新一代 AR 设备带给消费者令人信服的成本效益比。我们已经是这两种材料的垂直整合制造商，业务流程涵盖从晶体生长到基板制造。而且，我们还可以制造其他波导部件，包括衍射耦合器和光学涂层。此外，我们所有的制造流程均可扩展为大幅面产品的大批量生产。我们已准备好与 AR 系统设计人员合作，开发基于这些材料的波导显示屏，然后在批量生产中为其提供可靠支持。
