上海交通大學(xué)的智能顯示實(shí)驗室（sdl.sjtu.edu.cn），提出了一種基于五通道波導及二維擴瞳器的近眼顯示。如圖1所示，其基本架構由（1）五通道波導、（2）入耦合光柵（ICG）、（3）出耦合光柵（OCG）所組成。其核心設計思路為將通道1/2/3/4/5的入耦合光柵置于僅包含子視場(chǎng)1/2/3/4/5的獨立區域內，從而實(shí)現五通道的視場(chǎng)分割。與傳統波導相比，一個(gè)顯著(zhù)特征是，五個(gè)入耦合光柵在位置上是錯開(kāi)的。
圖1. 五通道波導架構圖
與基于雙通道視場(chǎng)分割的美國微軟的HoloLens 2波導方案相比，基于五通道視場(chǎng)分割的波導方案具有更大的視場(chǎng)角。如圖2所示，以折射率為1.8的波導為例，雙通道的對角FOV上限為48度，而五通道可達到124度，甚至超過(guò)了美國Meta公司的Orion碳化硅方案（其視場(chǎng)角為70度）。
圖2. 單/雙/三/四/五通道波導方案的視場(chǎng)角FOV上限與折射率的關(guān)系
為驗證方案的技術(shù)可行性，在VirtualLab Fusion軟件的賦能下，課題組重點(diǎn)研究了四臺階及二維柱狀光柵的衍射效率、波導的視場(chǎng)角上限、以及出瞳均勻性問(wèn)題。如圖3所示，對于486/546/633 nm的波長(cháng)，鋸齒光柵和四臺階光柵的衍射效率分別為58/69/58%和52/61/54%。以50%為基準的話(huà)，鋸齒光柵和四臺階光柵的波長(cháng)帶寬分別為290 nm和218 nm。如圖4所示，對于二維柱狀光柵，其各個(gè)衍射級次（包括T(-1,0)、R(0,0)、R(-1,±1)和R(0,±1)）的效率則可通過(guò)光柵高度進(jìn)行調控。至于二維出瞳擴展，如圖5所示，于30 mm × 21 mm的出瞳區域，通過(guò)自定義參數關(guān)聯(lián)與下降單純形算法優(yōu)化，得出了70個(gè)出耦合子光柵的衍射效率，分析了各出瞳的電磁場(chǎng)或光強。最后，本方案的關(guān)鍵指標總結如下：FOV=109°、出瞳距=10 mm、出瞳尺寸=6.2 × 6.2mm2、出瞳均勻性=54%。
圖3. 四臺階光柵的衍射效率與波長(cháng)的關(guān)系
圖4. 二維柱狀光柵的各級衍射級次的效率與光柵高度的關(guān)系
圖5. 波導模塊的光線(xiàn)追跡及出瞳均勻性分析
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