首尔大学提出万花筒式波导全息显示系统用于AR眼镜
万花筒式波导
（映维网Nweon 2025年11月27日）日前，韩国首尔大学的研究团队提出并验证了一种基于光导的“万花筒式波导”全息显示系统，成功解决了增强现实眼镜中长期存在的重量分布不均、前框笨重与视场遮挡等关键问题。研究团队通过建立精确的光导内波前传播模型，并开发相应的相位优化算法，首次实现了将光引擎与图像合成器完全分离的AR显示架构，同时完整保留了空间光调制器的全部角带宽，为下一代轻薄型、无遮挡AR眼镜的实用化开辟了全新路径。
传统AR近眼显示设备通常采用光引擎与图像合成器紧密集成的光学架构。光引擎包含激光光源、空间光调制器以及中继光学元件，负责生成虚拟图像；图像合成器则位于用户眼前，通过半反半透镜或衍射光学元件将虚拟光引导入眼，同时允许真实场景光透过。这种紧邻布局导致光引擎不可避免地占据了眼镜前框的大量空间与重量，不仅造成佩戴不适，更严重遮挡了用户的周边视野，破坏了AR体验的沉浸感。尽管产业界不断尝试缩小光引擎与合成器的体积，但传统几何光学的基本限制使得系统进一步微型化面临巨大挑战。
为从根本上重构AR显示架构，研究团队创新性地引入了光导作为核心波导元件。光导是一段截面均匀的光学玻璃棒，利用全内反射原理传输光波。其独特优势在于，无论导管长度如何，都能在理论上无损失地传输入射光的全部角带宽——即所有角度的光信息都能被保留并传递至输出端。
这一特性使其成为连接远端光引擎与眼前图像合成器的理想桥梁。通过将笨重的光引擎移至眼镜腿或头盔侧方，仅保留透明的图像合成器于镜框之内，系统实现了前所未有的前部轻薄化与无遮挡视场。
直接使用光导传输全息波前并非易事。由于全内反射的多次发生，波前会在导管内形成一系列虚拟的、经过翻转的复制体，若不加处理地渲染全息图，最终图像将因多路信号叠加而产生严重的“万花筒效应”，导致画面重叠、无法辨识。
为解决此问题，研究团队建立了一套精确的“位移角谱法”波导传播模型。模型首先根据光导的几何尺寸（边长d、长度l）与SLM的最大衍射角，计算出波前在传输过程中经历的全内反射总次数M。
随后，模型为每一个虚拟波前（索引i, j）生成一个对应的、经过位移的角谱传播核H_ij(u,v;l)。
核函数不仅包含了波前在自由空间中传播的相位延迟，同时引入了与虚拟波前中心坐标(x_ij, y_ij)相关的线性相位项，以准确描述其空间偏移。为防止计算过程中的混叠失真，团队进一步引入了满足奈奎斯特采样条件的带限掩模χ_ij。
最终，光导输出端的合成波前g_LP(x,y;l)是所有虚拟波前经过其各自传播核作用后的相干叠加。基于物理模型，团队采用基于梯度下降的相位优化算法，以输出波前在目标平面重建的强度图像与目标图像之间的均方误差作为损失函数，对SLM的相位分布进行迭代优化。为抑制激光相干性带来的散斑噪点，另外，系统采用了时序多路复用技术，即快速序列显示多个优化后的全息图，利用人眼视觉暂留效应平滑噪点。
为验证所提系统的可行性，团队搭建了一套完整的实验原型。系统采用RGB三色激光器（638nm红、520nm绿、450nm蓝），相位型空间光调制器（SLM）像元尺寸为3.74μm，采样数1000×1000。核心的光导为定制加工的N-BK7方形玻璃棒，截面3mm×3mm，长度80mm，模拟眼镜腿的典型尺寸。
实验结果显示，若使用传统的自由空间传播模型进行全息图渲染，在光导的有限体积限制下，有效视场角将从9.2°锐减至6.4°，且高频信息严重丢失。而若忽略光导内的反射效应，图像则因“万花筒效应”而完全无法辨识。相反，当采用团队提出的波导模型进行相位优化后，系统成功地在输出端重建出清晰、完整、覆盖全视场角的高质量二维与三维全息图像，充分证明了其带宽保持能力。
在AR场景演示中，研究团队将光导的输出耦合至一个定制的一体化光导图像合成器。合成器厚度为7mm，利用内部斜面镜与半反半透膜将全息虚拟图像导向模拟人眼位置的CCD摄像头，同时允许真实场景光透过。拍摄结果显示，虚拟图像能够以正确的深度感知（以屈光度D标示）与真实环境无缝融合，用户可获得无遮挡、具有自然立体感的AR体验。
全息显示系统对光学元件的对齐精度极为敏感，尤其在包含光导的复杂系统中，微小的机械错位可能导致图像质量的急剧下降。研究团队对此进行了深入的六自由度错位分析（三个平移方向与三个旋转轴向），并开发了相应的数字补偿方法。
通过将错位参数（如平移量、旋转角）集成到前述的波导传播模型中，团队能够在全息图计算阶段就预测并抵消错位带来的影响。实验表明，横向（x, y轴）平移错位会导致图像信息在单侧丢失并在对侧产生重影，而沿光轴（z轴）的平移则相对不敏感。旋转错位则会使整个图像发生旋转和整体偏移。
关键在于，即便存在明显的物理错位，通过在校正模型指导下重新优化SLM相位，系统依然能够恢复出高质量、几何正确的全息图像。这一能力极大地增强了该技术在实际产品中应对日常使用磨损与装配误差的鲁棒性。
尽管研究成果显著，但团队指出了若干未来需要攻克的方向。首先是对齐敏感性，虽然数字补偿有效，但实时检测与补偿动态错位仍需更复杂的反馈系统。
其次是计算效率，随着SLM像元尺寸缩小（如至1μm）与光导加长，所需的虚拟波前数量及计算负载将呈平方级增长，需开发更高效的算法或借助神经网络加速。
最后是光导本身的微型化与轻量化，当前3mm厚度仍有缩减空间，但更薄的导管（如<1mm）将面临制造工艺复杂化与光传播模式可能发生改变（趋于光纤模式）的新问题。
相关论文：Light Pipe Holographic Display: Bandwidth-preserved Kaleidoscopic Guiding for AR Glasses
总的来说，首尔大学的这项研究，通过光导实现的“带宽保持型万花筒波导”技术，不仅成功地将AR眼镜的光引擎与图像合成器进行了物理分离，为设备形态带来了革命性轻薄化的可能，更通过精密的物理建模与算法优化，确保了全息图像信息在传输过程中的高保真度。这项研究为开发真正舒适、沉浸、无遮挡的消费级AR眼镜奠定了坚实的技术基石，预示着全息显示技术在可穿戴计算领域的广阔应用前景。
