增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展

姜玉婷; 张毅; 胡跃强; 郭晓明; 宋强; 段辉高

doi:10.37188/OPE.20212901.0028

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增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展

现代应用光学 | 更新时间：2021-02-04

- 增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展
- Development of optical waveguide elements in augmented reality near-eye displays
- 光学精密工程 2021年29卷第1期页码：28-44
- 作者机构：
  
  1.湖南大学机械与运载工程学院国家高效磨削中心，湖南长沙 410082
  2.深圳珑璟光电技术有限公司，广东深圳 518100
  3.湖南大学深圳研究院珑璟光电微纳光学先进制造实验室，广东深圳 518100
- 作者简介：
  
  [ "姜玉婷（1997-），女，吉林松原人，硕士研究生，2019年于长沙理工大学获得学士学位，主要从事微纳制造、微纳光学、AR眼镜方面的研究。E-mail： jiangyt@hnu.edu.cn" ]
  [ "胡跃强（1992-），男，安徽合肥人，博士，助理教授，硕士生导师，2013年于西南交通大学获得学士学位，2018年于清华大学获得博士学位，主要从事微纳加工、微纳光学和表界面力学等方面的研究。E-mail： huyq@hnu.edu.cn" ]
  [ "段辉高（1982-），男，湖南衡阳人，博士，教授，博士生导师，2004年、2010年于兰州大学分别获得学士、博士学位，主要从事极小尺寸、极高精度的微纳制造及相关应用的研究。E-mail： duanhg@hnu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51722503;51621004);湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ5059)
- DOI：10.37188/OPE.20212901.0028
  中图分类号： TN252;TN873
- 收稿日期：2020-08-27，
  
  修回日期：2020-10-15，
  
  纸质出版日期：2021-01-15
- 稿件说明：
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姜玉婷,张毅,胡跃强等.增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展[J].光学精密工程,2021,29(01):28-44.

JIANG Yu-ting,ZHANG Yi,HU Yue-qiang,et al.Development of optical waveguide elements in augmented reality near-eye displays[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):28-44.
姜玉婷,张毅,胡跃强等.增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展[J].光学精密工程,2021,29(01):28-44. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0028.

JIANG Yu-ting,ZHANG Yi,HU Yue-qiang,et al.Development of optical waveguide elements in augmented reality near-eye displays[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):28-44. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0028.

摘要

增强现实技术是一种将虚拟环境信息叠加在真实世界中并加以有效利用的一种新型显示技术，在教育、医疗、旅游、汽车、建筑等领域有广阔的应用前景。增强现实近眼显示设备是增强现实技术的重要组成部分，而光波导是实现增强现实近眼显示设备高性能与微型化等特性的核心光学元件。光波导主要分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导原理简单，其制备技术较为完善并且可以实现量产，但视场角与出瞳范围较小、制备工艺复杂；衍射光波导则具有极高的设计自由度及优良的性能，但成像时存在的彩虹效应与色散等问题仍待解决。本文综述了不同类型光波导的设计和制备技术，分析了几何光波导和衍射光波导在原理、结构参数、性能评价和制备流程等方面的表现，最后总结了目前增强现实近眼显示技术所面临的挑战，并对未来的发展前景进行展望。

Abstract

Augmented reality （AR） technology is a new type of display technology that superimposes information from a virtual environment onto the real world and makes effective use of it. It has broad application prospects in education， medical care， tourism， automobiles， construction， and other fields. AR near-eye display devices are a major part of AR technology， and optical waveguides are the core optical elements used to realize high performance and miniaturization of AR near-eye displays. Optical waveguides are primarily divided into geometrical and diffractive optical waveguides. The principle behind geometrical optical waveguides is simple. Its preparation technology is relatively complete and can be mass produced. However， the field of view and exit pupil range are small， the preparation process is complicated， and the diffractive optical waveguides rely on an extremely high degree of design freedom to obtain excellent performance. In addition， the problems of rainbow effect and dispersion in imaging must be solved. This study mainly focuses on the design and manufacturing technology of different types of optical waveguides. It also analyzes the advantages and disadvantages of geometrical and diffractive optical waveguides in terms of principles， structural parameters， performance evaluation， and preparation process. Finally， the study summarizes the challenges faced by current AR near-eye display technology and looks forward to future developmental prospects.

关键词

Keywords

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