多層表面浮雕光柵技術：單波導全彩增強現實顯示的突破路徑

    增強現實（AR）技術作為新一代人機交互核心技術，已在醫療手術導航、工業設備運維、教育沉浸式教學及元宇宙場景構建等領域展現出重大應用價值。當前，AR技術產業化進程的核心訴求之一是研發輕量化、高分辨率的AR眼鏡，而這一目標的實現高度依賴光學系統的性能突破。在AR光學系統中，波導合束器因具備大視場（FOV）、大眼盒及輕薄化形態等優勢，被業界公認為實現AR眼鏡小型化的理想光學方案；其中，表面浮雕光柵（SRG）作為波導合束器的核心耦合元件，其衍射效率、光譜帶寬與角度響應特性，直接決定了AR顯示系統的成像質量與全彩色表現能力。

    傳統表面浮雕光柵技術的核心瓶頸

    盡管傳統表面浮雕光柵（如斜邊矩形光柵、梯形光柵）可在特定條件下實現較高衍射效率，但其技術局限已成為制約單波導全彩AR顯示發展的關鍵障礙：

    其一，光譜帶寬受限。全彩AR顯示需覆蓋紅（626nm）、綠（529nm）、藍（465nm）三色光波段，而傳統SRG僅能在窄波長范圍內保持高效衍射，無法同時滿足RGB三色光的耦合需求；

    其二，角度響應范圍狹窄。AR眼鏡的實用化要求在較大視場內（通常需≥20°×20°）保持穩定成像，傳統SRG的衍射效率隨入射角度變化顯著，易導致視場邊緣出現亮度衰減與色彩偏移；

    其三，現有解決方案存在固有缺陷。為突破上述局限，行業曾提出“多層波導方案”，即通過多片波導分別處理RGB三色光，但該方案對波導間的對齊精度要求極高（微米級誤差即導致色彩失真），且疊層結構大幅增加了AR眼鏡的體積與重量，與“輕量化”設計訴求相悖。近年來興起的超表面與混合光柵結構雖能一定程度提升性能，卻因結構復雜度高、制備工藝難度大，尚未實現從實驗室研發向產業化應用的轉化。

    多層表面浮雕光柵的技術創新方案

    針對傳統SRG技術的瓶頸，美國中佛羅里達大學吳詩聰（ShinTsonWu）教授團隊提出了基于多層涂層結構與離散折射率設計的SRG優化方案，其核心創新點在于通過“空間維度折射率梯度構建”與“多結構拓撲優化”，突破傳統SRG在帶寬與角度響應上的限制，具體技術路徑如下：

    1.多結構對比與優化設計

    團隊選取五種典型SRG結構開展系統研究，包括基本梯形SRG、1層涂層SRG、2層涂層SRG、2層堆疊SRG及3層堆疊SRG。通過在光柵周期方向（x軸）與光傳播方向（z軸）同時引入梯度折射率分布及離散多層結構，擴展了有效折射率調制范圍，顯著提升了光柵對不同波長與入射角度光的容差能力——即實現了對RGB三色光的高效耦合，同時降低了衍射效率隨入射角度的波動。

    2.雙算法協同優化策略

    為實現光柵參數的全局最優配置，團隊采用“嚴格耦合波分析（RCWA）+粒子群優化（PSO）”雙算法組合：

    基于RCWA算法精準計算光與微納光柵結構的相互作用，建立衍射效率與光柵參數（周期、填充因子、傾斜角、層高、折射率）的定量關系；

    以RGB三色光在9個典型視場點下的平均衍射效率為目標函數，通過PSO算法對上述參數進行全局尋優，確保光柵在全色波段與寬視場內的綜合性能最優。

    多層SRG技術的性能驗證與工藝可行性

    1.核心性能指標突破

    通過仿真與實驗測試，多層SRG結構的性能優勢得到充分驗證：

    光譜帶寬性能：以3層堆疊SRG為例，在455635nm寬帶范圍內（覆蓋全彩AR所需波段），平均光譜衍射效率達到87.2%，光譜均勻性達74%，較傳統單層SRG提升超30%；

    角度響應性能：在20°×20°視場范圍內，RGB三色光的平均衍射效率分別為89.2%（紅）、91.1%（綠）、79.5%（藍），角度均勻性均高于84%，有效解決了傳統SRG視場邊緣亮度衰減問題；

    系統級效率提升：在LightTools仿真環境中構建單波導AR系統模型，以理想光柵為基準對比測試顯示，多層SRG結構的系統效率較傳統SRG提升約20%，且兼容非偏振光源，更貼合實際AR設備的光源應用場景。

    2.產業化工藝適配性

    技術的產業化價值不僅取決于性能，更依賴工藝可行性。該團隊在設計階段充分考慮量產需求，通過參數優化將多層SRG的關鍵工藝指標控制在成熟技術可實現范圍內：

    光柵傾斜角均低于40°，高寬比（高度與寬度比值）小于2:1，可兼容納米壓印、原子層沉積（ALD）、反應離子蝕刻等主流微納制造工藝；

    無需引入新型材料或特殊設備，現有半導體與微納加工產線經小幅調整即可實現規模化生產，顯著降低了技術轉化成本。

    技術突破的產業價值與未來展望

    多層SRG技術的創新意義，在于其首次實現了“高性能”與“可量產”的協同——既突破了傳統SRG在寬帶響應與角度均勻性上的技術瓶頸，又通過工藝友好型設計打通了從實驗室到產業應用的路徑，為單波導全彩AR顯示提供了一體化解決方案。

    從產業應用來看，該技術將推動AR眼鏡向“輕量化、高畫質”方向加速迭代：在醫療領域，可支持醫生通過AR眼鏡實時疊加患者3D器官模型與生命體征數據，提升手術精準度；在工業領域，工程師可借助輕量化AR設備查看設備內部結構與運維數據，降低復雜設備的檢修難度；在教育領域，沉浸式AR課堂將實現更精準的色彩還原與寬視場成像，提升知識傳遞效率。

    綜上，美國中佛羅里達大學團隊提出的多層表面浮雕光柵技術，不僅是AR光學元件領域的一次關鍵技術突破，更為AR顯示技術從“小眾應用”向“大眾消費”轉型提供了核心支撐，有望成為下一代全彩AR眼鏡產業化的重要技術基石。