还记得第一代手机吗？它们当时像砖头一样大，只能拿在手里。如今，它们已演变为时尚且功能强大的奇迹，我们只需一秒钟就能将其放进口袋或钱包里，而且已经离不开它们了。
增强现实（AR）眼镜也即将经历类似的转变，目标是使其像传统眼镜一样舒适且易于佩戴。微处理器、传感器和连接技术方面的进步已相互结合，共同推动这一转变。
但增强现实（AR）设备目前面临的最大技术挑战之一仍是显示屏本身。具体来说，问题在于如何制造出既能满足人类视觉系统严苛性能要求，又足够小巧轻便的显示屏。当然，生产成本也必须低廉。
AR头显的设计目标
要实现这一切，AR 显示屏设计师必须同时满足多个不同的目标。首先，AR 眼镜的整体尺寸、重量和重心必须确保佩戴舒适，能够长时间佩戴。
其次，显示屏的视觉特性有几个重要要求。我们可能只是将其中一些归类为“清爽”的标签。这包括角分辨率和填充系数（像素之间的空白区域）等属性。色域和色彩准确度也需要考虑。
此外，显示屏还需呈现立体感。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准确对应。当佩戴者或外部物体移动时，显示屏需要以足够快的速度进行更新。
融合立体图像（即显示屏呈现的左眼和右眼视图在大脑中合成的图像）是否易于实现也至关重要，因为这个问题几乎会立即导致大多数人出现眼疲劳和不适。如果您对此表示怀疑，只需询问人们对3D电影的看法即可。
围绕“沉浸感”这一概念，还有其他一些关键因素需要考虑。具体来说，随着显示屏覆盖的佩戴者视野范围扩大，沉浸感也会增强。从技术角度讲，这被称为显示屏视场（FOV）。此外还需要注意的是，消费级AR眼镜需要满足拥有不同头部尺寸和瞳距（即IPD）人群的所有这些需求。
波导前景光明
正如我们在之前关于 AR 技术的博客中详细介绍的那样，AR 头显面临的特殊挑战在于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，并通过光学元件使其看起来更远、更大。然而，从光学角度来看，这其实是一个相对简单的任务。
AR头显的光学组件必须使用一种称为“光学组合器”的透明部件，它负责传输来自外部的光线，从而使用户能够直接看到现实世界。此外，它还必须将显示屏引擎输出的图像从组合器的边缘引导至中心，然后将其重新定向至观察者的眼睛。这样，计算机生成的图像就会叠加在现实世界的视图之上。这项任务比VR头显光学组件所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最具前景的技术之一。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至观者的眼睛。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。
当光线从密度较大的材料（如玻璃）进入密度较低的介质（如空气）时，就会发生全内反射（TIR）。在这种情况下，光线会发生折射——即改变方向。折射正是透镜的工作原理。
但是，如果光线以足够大的角度射向两种材料之间的界面，它就会被完全反射回来，根本不会离开材料。光线无法射出材料的角度被称为“临界角”。
从材料射入空气的光线会发生折射（改变方向）。但是，当入射角较大时，光线会完全反射回材料内部，根本无法逸出。材料的折射率越高，这种效应开始发生的入射角就越小。
要在 AR 眼镜中利用这种现象，只需设想一下：“内耦合器”允许来自显示引擎的光线以大于临界角的角度进入波导。随后，光线将在玻璃内传播并进入全内反射状态。在组合器的中心，光线遇到“输出耦合器”，随后被提取并引导至观察者的眼睛。
在基于波导的增强现实（AR）头显中，通过输入耦合器将来自显示屏的光引入波导边缘附近。随后，光利用全内反射（TIR）穿过波导，并在到达观察者正前方时进行输出耦合。
实际制造这种波导需要攻克大量技术难题，过程极为复杂。但它们确实有效，并且已经投入使用。
波导技术的优势在于，它能让头显的外观和佩戴体验与普通眼镜极为相似。这样，我们就能朝着目标迈进，即打造一款足够小巧、轻便且易于使用的产品，从而赢得消费者的广泛认可。
颠覆性的波导材料
波导能否发挥作用取决于全内反射（TIR），对此有件事需要了解。即随着材料折射率的增加，当光线以较小角度照射到表面时就会发生全内反射。这意味着光线会在更宽的角度范围内发生反射。
这意味着使用折射率更高的波导材料可以实现更宽的视场。视场（FOV）是增强现实（AR）系统设计师致力于实现沉浸式体验的关键。
由折射率较高的材料制成的波导可以为观众提供更广阔的视野，从而增强沉浸感。
问题在于，传统光学玻璃的折射率很低，这严重限制了上述波导类型所能实现的视场。玻璃制造商已开发出折射率更高的材料来应对这一问题。他们的研究成果令人印象深刻。但他们无法克服材料的根本局限性。目前，玻璃所能达到的最高折射率约为 2.0。
但除了玻璃之外，还有其他材料能够传输可见光。其中一些材料不仅具有较高的折射率，还具备其他理想的物理特性。其中两种是晶体材料：锂铌酸盐(LiNbO₃)，其折射率为 2.3；以及碳化硅(SiC)，其折射率为 2.7。
波导折射率与显示屏视场角（FOV）之间的理论关系如图所示。即使使用折射率最高的玻璃，碳化硅（SiC）也有望将显示屏的视场角扩大一倍。因此，它为增强现实（AR）眼镜的设计者带来了颠覆性的变革。
波导材料折射率与 AR 显示屏最大可能视场角之间的理论关系。与玻璃材料相比，LiNbO₃ 和 SiC 都具有显著优势。
除了更大的视场角之外，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透镜——每种颜色各一个（或两种颜色共用一个）。特别需要指出的是，由于碳化硅（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）整合到单个波导中。这将显著改善头显的尺寸、重量和成本。此外，碳化硅（SiC）是一种极其坚固且轻便的材料。
LiNbO₃ 和 SiC 都比高折射率玻璃更实用且性能更优，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过程的复杂性，从而降低生产成本。
高意 这些材料能够帮助新一代AR设备为消费者带来极具吸引力的性价比。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。此外，我们还能制造其他波导组件，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至大幅面产品的批量生产。我们已准备好与AR系统设计师合作，开发基于这些材料的波导显示屏，并在批量生产中为其提供可靠的支持。
详细 高意 LiNbO₃和SiC材料。
