单层波导显示器使用消色差元光栅实现更紧凑的增强现实眼镜

增强现实（AR）是一种将数字内容实时叠加到用户周围看到的内容上的技术，现在广泛应用于零售、游戏和娱乐行业，以及一些教育环境和学习环境中。AR系统的一个关键组成部分是所谓的波导显示器，这是一种透明的光学层，可以将投影仪的光引导到用户的眼睛，使他们能够看到集成在周围环境之上的投影图像。

安装在大多数AR耳机或智能眼镜上的波导显示器通常由几个基板和光栅耦合器（即将光衍射到波导中的结构）组成。虽然这些多层波导显示器被广泛使用，但它们有时会扭曲颜色，同时也会限制AR耳机或眼镜的尺寸。

三星电子和浦项科技大学（POSTECH）的研究人员最近开发了一种新的单层波导显示器，可以实现更紧凑的日常AR耳机，同时提高用户看到的图像的亮度和颜色均匀性。发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中介绍了这种新显示器，它是使用消色差元光栅制造的，消色差元格栅是一种矩形纳米结构阵列，可以以相同的角度衍射红光、绿光和蓝光。

“AR的理想波导显示器将采用单层波导基板与无色散耦合器相结合，”Seokil Moon、Seokwoo Kim及其同事在论文中写道。“虽然元表面已被探索为波导显示器的潜在解决方案，但严重的局限性，如效率低、均匀性差和色差，仍未得到解决。我们介绍了一种使用消色差元光栅的单层波导显示器。”

研究人员新开发的波导显示器集成了消色差元格栅耦合器和先进的光学元件，可以衍射光，将不同颜色（即红、绿和蓝光）引导到同一方向，而不会扭曲它们。为了优化这些纳米结构再现的图像中的几何参数，研究人员使用了他们实验室开发的一种新的随机拓扑优化算法。“所提出的元光栅由矩形纳米结构的周期性阵列组成，在同一方向上衍射红、绿和蓝光，”Moon、Kim及其同事解释道。“因此，它们确保了单波导基板内的消色差传播角度，保持了高质量的投影图像。”

新型波导显示器具有几个优点，使其有别于传统的多层波导显示器和用于AR的新型超表面显示器。首先，它比多层波导显示器薄得多，这意味着它可以用于开发比现有耳机更紧凑、更舒适、更便于用户日常佩戴的AR眼镜。

此外，该团队的显示器比许多基于超表面和多层波导显示器产生的图像质量更好，因为它不会使颜色失真太多，并允许用户看到更大比例的周围环境。未来，新的显示器可以集成在现有和新开发的AR耳机中，有可能促进它们在更广泛的日常环境中的使用。

Moon、Kim及其同事写道：“作为概念验证，我们展示了一种全彩色AR波导显示器，其具有500μm厚的单层波导基板，大大降低了器件的形状和重量，同时通过足够的眼盒提高了亮度和颜色均匀性。”。

“这种方法克服了传统AR近眼光学设计的局限性，这些设计依赖于多层光栅耦合器，需要复杂的制造工艺，对于符合人体工程学的头戴式应用来说太重了。”