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萬花筒式波導

（中國AI網 2025年11月27日）日前，韓國首爾大學的研究團隊提出并驗證了一種基于光導的“萬花筒式波導”全息顯示系統，成功解決了增強現實眼鏡中長期存在的重量分布不均、前框笨重與視場遮擋等關鍵問題。研究團隊通過建立精確的光導內波前傳播模型，并開發相應的相位優化算法，首次實現了將光引擎與圖像合成器完全分離的AR顯示架構，同時完整保留了空間光調制器的全部角帶寬，為下一代輕薄型、無遮擋AR眼鏡的實用化開辟了全新路徑。

傳統AR近眼顯示設備通常采用光引擎與圖像合成器緊密集成的光學架構。光引擎包含激光光源、空間光調制器以及中繼光學元件，負責生成虛擬圖像；圖像合成器則位于用戶眼前，通過半反半透鏡或衍射光學元件將虛擬光引導入眼，同時允許真實場景光透過。這種緊鄰布局導致光引擎不可避免地占據了眼鏡前框的大量空間與重量，不僅造成佩戴不適，更嚴重遮擋了用戶的周邊視野，破壞了AR體驗的沉浸感。盡管產業界不斷嘗試縮小光引擎與合成器的體積，但傳統幾何光學的基本限制使得系統進一步微型化面臨巨大挑戰。

為從根本上重構AR顯示架構，研究團隊創新性地引入了光導作為核心波導元件。光導是一段截面均勻的光學玻璃棒，利用全內反射原理傳輸光波。其獨特優勢在于，無論導管長度如何，都能在理論上無損失地傳輸入射光的全部角帶寬——即所有角度的光信息都能被保留并傳遞至輸出端。

這一特性使其成為連接遠端光引擎與眼前圖像合成器的理想橋梁。通過將笨重的光引擎移至眼鏡腿或頭盔側方，僅保留透明的圖像合成器于鏡框之內，系統實現了前所未有的前部輕薄化與無遮擋視場。

直接使用光導傳輸全息波前并非易事。由于全內反射的多次發生，波前會在導管內形成一系列虛擬的、經過翻轉的復制體，若不加處理地渲染全息圖，最終圖像將因多路信號疊加而產生嚴重的“萬花筒效應”，導致畫面重疊、無法辨識。

為解決此問題，研究團隊建立了一套精確的“位移角譜法”波導傳播模型。模型首先根據光導的幾何尺寸（邊長d、長度l）與SLM的最大衍射角，計算出波前在傳輸過程中經歷的全內反射總次數M。

隨后，模型為每一個虛擬波前（索引i, j）生成一個對應的、經過位移的角譜傳播核H_ij(u,v;l)。

核函數不僅包含了波前在自由空間中傳播的相位延遲，同時引入了與虛擬波前中心坐標(x_ij, y_ij)相關的線性相位項，以準確描述其空間偏移。為防止計算過程中的混疊失真，團隊進一步引入了滿足奈奎斯特采樣條件的帶限掩模χ_ij。

最終，光導輸出端的合成波前g_LP(x,y;l)是所有虛擬波前經過其各自傳播核作用后的相干疊加。基于物理模型，團隊采用基于梯度下降的相位優化算法，以輸出波前在目標平面重建的強度圖像與目標圖像之間的均方誤差作為損失函數，對SLM的相位分布進行迭代優化。為抑制激光相干性帶來的散斑噪點，另外，系統采用了時序多路復用技術，即快速序列顯示多個優化后的全息圖，利用人眼視覺暫留效應平滑噪點。

為驗證所提系統的可行性，團隊搭建了一套完整的實驗原型。系統采用RGB三色激光器（638nm紅、520nm綠、450nm藍），相位型空間光調制器（SLM）像元尺寸為3.74μm，采樣數1000×1000。核心的光導為定制加工的N-BK7方形玻璃棒，截面3mm×3mm，長度80mm，模擬眼鏡腿的典型尺寸。

實驗結果顯示，若使用傳統的自由空間傳播模型進行全息圖渲染，在光導的有限體積限制下，有效視場角將從9.2°銳減至6.4°，且高頻信息嚴重丟失。而若忽略光導內的反射效應，圖像則因“萬花筒效應”而完全無法辨識。相反，當采用團隊提出的波導模型進行相位優化后，系統成功地在輸出端重建出清晰、完整、覆蓋全視場角的高質量二維與三維全息圖像，充分證明了其帶寬保持能力。

在AR場景演示中，研究團隊將光導的輸出耦合至一個定制的一體化光導圖像合成器。合成器厚度為7mm，利用內部斜面鏡與半反半透膜將全息虛擬圖像導向模擬人眼位置的CCD攝像頭，同時允許真實場景光透過。拍攝結果顯示，虛擬圖像能夠以正確的深度感知（以屈光度D標示）與真實環境無縫融合，用戶可獲得無遮擋、具有自然立體感的AR體驗。

全息顯示系統對光學元件的對齊精度極為敏感，尤其在包含光導的復雜系統中，微小的機械錯位可能導致圖像質量的急劇下降。研究團隊對此進行了深入的六自由度錯位分析（三個平移方向與三個旋轉軸向），并開發了相應的數字補償方法。

通過將錯位參數（如平移量、旋轉角）集成到前述的波導傳播模型中，團隊能夠在全息圖計算階段就預測并抵消錯位帶來的影響。實驗表明，橫向（x, y軸）平移錯位會導致圖像信息在單側丟失并在對側產生重影，而沿光軸（z軸）的平移則相對不敏感。旋轉錯位則會使整個圖像發生旋轉和整體偏移。

關鍵在于，即便存在明顯的物理錯位，通過在校正模型指導下重新優化SLM相位，系統依然能夠恢復出高質量、幾何正確的全息圖像。這一能力極大地增強了該技術在實際產品中應對日常使用磨損與裝配誤差的魯棒性。

盡管研究成果顯著，但團隊指出了若干未來需要攻克的方向。首先是對齊敏感性，雖然數字補償有效，但實時檢測與補償動態錯位仍需更復雜的反饋系統。

其次是計算效率，隨著SLM像元尺寸縮小（如至1μm）與光導加長，所需的虛擬波前數量及計算負載將呈平方級增長，需開發更高效的算法或借助神經網絡加速。

最后是光導本身的微型化與輕量化，當前3mm厚度仍有縮減空間，但更薄的導管（如<1mm）將面臨制造工藝復雜化與光傳播模式可能發生改變（趨于光纖模式）的新問題。

相關論文：Light Pipe Holographic Display: Bandwidth-preserved Kaleidoscopic Guiding for AR Glasses

https://arxiv.org/pdf/2507.04374

總的來說，首爾大學的這項研究，通過光導實現的“帶寬保持型萬花筒波導”技術，不僅成功地將AR眼鏡的光引擎與圖像合成器進行了物理分離，為設備形態帶來了革命性輕薄化的可能，更通過精密的物理建模與算法優化，確保了全息圖像信息在傳輸過程中的高保真度。這項研究為開發真正舒適、沉浸、無遮擋的消費級AR眼鏡奠定了堅實的技術基石，預示著全息顯示技術在可穿戴計算領域的廣闊應用前景。