三层全息光栅实现更明亮的增强现实（AR）显示

研究人员开发出一种全彩近眼显示器，采用三层堆叠的全息光栅，每层光栅经过专门设计以引导红光、绿光或蓝光。这一新设计有助于推动紧凑型、高能效增强现实（AR）眼镜的发展，可广泛应用于各类专业和消费场景。全息光栅是利用激光记录的干涉图案来精确改变光线方向和形态的微型光学结构。在近眼显示器中，它们可用于将光线引入和引出透明波导，将数字图像投射到佩戴者眼中。

随着增强现实日益融入日常生活，市场对轻量、节能且易于制造的显示技术的需求持续增长。印度CSIR-中央科学仪器组织及科学与创新研究学院的研究团队负责人Raj Kumar表示，他们的堆叠光栅设计能以更低功耗生成明亮图像，这对实现轻量化的电池供电型AR眼镜尤为有利，可在明亮的室内外环境中清晰显示虚拟图像。

研究人员在《应用光学》期刊上报告了集成堆叠式全息光栅的实验室原型。该新设计采用无棱镜制造方法，无需对齐多块光栅，使多层全息光耦合器的制造和复制更加简便。论文第一作者、来自CSIR的Sheenam Saxena表示，这项技术可用于AR眼镜中常见的透视显示器，服务于导航、工业辅助、教育、医学可视化、维护、培训等需要将色彩信息叠加到真实世界的应用场景，并且该方法还有望扩展至大尺寸显示器的制造，例如车载抬头显示器（HUD）。

AR眼镜的近眼显示器将微型显示屏与图像组合器融为一体，可将数字内容无缝整合到真实环境中。全息波导作为一种颇具前景的图像组合器方案，利用全息光栅将数字图像引导至用户眼睛，同时保持轻薄形态。然而，传统全息光栅制造方法依赖笨重的棱镜，使工艺流程变得复杂。尽管已有全彩全息波导的演示案例，但红、绿、蓝（RGB）光栅均记录在同一光聚合物薄膜上，降低了衍射效率，导致图像变暗。

为打造能产生更明亮图像的全彩波导，研究人员开发了一种无棱镜多层方法，将各色光栅分别记录在独立的光聚合物薄膜上，并在制造过程中完成层压堆叠。这种方式能保持其相对对准度，也省去了记录后复杂的光栅对准工序。

Kumar解释说：“该方法采用更简单灵活的制造流程，同时可对每个色彩通道独立优化，从而提升整体光效率，以相同的输入功率产生更明亮的虚拟图像，降低显示光源的功耗需求。”

测试方法

为验证该技术，研究人员将堆叠的RGB全息光栅集成到透明玻璃波导中，同时用作输入耦合器和输出耦合器。工作时，来自显示器的光线垂直照射到输入耦合器上，耦合器以足够高的角度将光线引入玻璃，使其因全内反射而被捕获并在波导中传播。当被引导的光线到达输出耦合器时，将被引出玻璃并射向用户眼睛。

研究人员使用微型数字显示器生成测试图像，并通过准直透镜将图像光线垂直投射到输入耦合器上。结果显示，明亮的红、绿、蓝及全彩图像均成功传播，证实了无棱镜堆叠式RGB方法的有效性。

接下来，团队计划提升显示器的整体性能，不再局限于单个全息耦合器。这包括扩大视场角、改善色彩均匀性。在该技术商业化之前，需要将其集成到紧凑的眼镜式原型中，并对亮度、图像质量、功耗、眼部舒适度和长期可靠性等因素进行评估。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/ao.604532