回顧往期文章可以得知，衍射光波導如果要將微投影系統（光機）發出的光導入人眼，必須經過耦入和耦出的過程。即光機發出的光通過耦入光柵，進入平板波導，并在其中進行全反射傳播，最后再由耦出光柵將光傳遞到人眼。

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以上過程中最為核心的就是全反射傳播。那什么是全反射呢？

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全反射是指光從高折射率介質射向低折射率介質，并且入射角大于等于臨界角時發生的一種特殊現象。即當滿足全反射條件時，光會在平板波導中通過反射不斷向前傳播，并且不會透射出來，從而能夠改變光的傳播方向。我們所熟知的海市蜃樓就是一種由光的全反射形成的自然現象。

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通常AR眼鏡是由光機來輸出圖像，然而如果直接將光機放置到鏡片上，顯然會阻擋用戶視線，而且也不美觀。同時僅靠光機也無法實現虛實融合的顯示效果。

基于全反射原理，衍射光波導可將光機投射出來的圖像進行等比轉移，進而可將光機放置到眼鏡的頂部或側部。這樣一來不僅不會遮擋用戶視線，而且由于衍射光波導的透光率高且十分輕薄，能夠使AR眼鏡在實現虛實融合的顯示效果的基礎上，更加接近普通眼鏡的形態。

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值得一提的是，衍射光波導只負責將圖像進行轉移并傳至人眼，不會對圖像內容本身造成影響，所以沒有放大或縮小圖像的功能。

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一般光學顯示方案不具備擴瞳功能，只能讓人眼在與光機出口（出瞳）大小相同的范圍內看到圖像（即眼動范圍）。假如光機出瞳的尺寸是φ5mm，那么用戶就只能在φ5mm的眼動范圍內看到圖像。這就像通過貓眼（門鏡）看世界，極大地影響沉浸感和視覺體驗。

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為了解決這一問題，衍射光波導可以通過二維擴瞳將出瞳擴大，在確保體積小、視場角大的前提下，雙向增加眼動范圍，進而獲得極強的沉浸感和良好的視覺體驗，同時還可以適配不同人的瞳距，這就是衍射光波導的第二個核心功能。

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通常有兩種方案能夠實現二維擴瞳，第一種是采用3塊一維光柵（即耦入光柵、轉折光柵、耦出光柵），第二種是采用1塊一維光柵（耦入光柵）和1塊二維光柵（耦出光柵）。

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第一種方案，首先通過耦入光柵將光機發出的光耦入到光波導中，然后經過全反射入射到轉折光柵上，此時一部分光會被轉折到耦出光柵，剩下的光將繼續通過反射向前傳播，然后再次入射到轉折光柵上，此時又會有一部分光被轉折到耦出光柵，重復此過程便實現了一維擴瞳。

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最后，傳到耦出光柵上的光，一部分會通過衍射傳入人眼，剩下的光將繼續通過反射向前傳播，然后再次入射到耦出光柵上，此時又會有一部分光被傳入人眼，重復此過程便實現了另一方向的一維擴瞳。這兩次一維擴瞳合在一起便構成了二維擴瞳。

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第二種方案，同樣先通過耦入光柵將光機發出的光耦入到光波導中，然后經過全反射入射到二維耦出光柵上，此時一部分光會通過衍射傳入人眼，剩下的光將會被分成橫縱雙向通過反射繼續向前傳播，然后再次入射到耦出光柵上，此時又會有一部分光被傳入人眼，重復此過程便實現了二維擴瞳。

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以上便是兩種二維擴瞳方案的物理過程。相比之下，第一種方案，從衍射光波導的設計到制備都相對簡單，但整體上更占鏡片面積。第二種方案，由于需要采用設計和制備難度都更高的二維光柵，所以實現起來相對更難，但整體架構更為緊湊，能夠節省鏡片面積。

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通過二維擴瞳，不僅可以增大眼動范圍，提升用戶的沉浸感，同時也能進一步縮減光機的重量和橫縱雙向的尺寸，進而使AR眼鏡更加輕薄、更具適配性。

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值得注意的是，雖然二維擴瞳將圖像復制了很多份，但我們實際只會看到一個像，而非多個像。因為耦出光柵傳出的圖像并不是實像，而是虛像。同時由于人的大腦會欺騙自己，總是會根據人眼所看到的光束的反向延長線去找這個像。而擴瞳產生的光束實際對應的是同一虛像的不同角度的信息，所以無論人眼看到多少個不同位置的擴瞳光束，都會根據它的反向延長線追溯到同一個像。

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舉個例子，就像我們通過平面鏡看蠟燭，蠟燭的光線經過鏡面反射進入人眼，人眼就會根據光線的反向延長線去找這個虛像。下圖中的3條光線，就可以近似理解成衍射光波導中3個不同位置的擴瞳光束，由圖可見，當我們同時看到這3條光束時，實際指向的都是同一個像。

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另外，很多人一直對衍射光波導都有一個誤解，就是能效低。實際上，這是因為在實現二維擴瞳的過程中，衍射光波導需要將光能分割成很多份并且平均地分配到每個出瞳位置上，所以單位面積上的能量自然就少了。但如果將衍射光波導上的所有光線全都收集到人眼中，就會發現衍射光波導的能效其實并不低。

所以說，衍射光波導能效不高的主要原因就是擴瞳。然而擴瞳是衍射光波導的一大功能，上面介紹了它有很多好處，因此我們需要在保持一定擴瞳倍率的基礎上盡量提高能效。

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▲?衍射級次示意圖

一方面，衍射光波導主要有兩大核心功能：圖像等比轉移和二維擴瞳。基于此，能夠使AR眼鏡在極具輕薄、大視場角的前提下，適配更多人群，并帶來極強的沉浸感和良好的視覺體驗。并且結合半導體工藝，使得衍射光波導更具量產性，從而為AR眼鏡走向C端市場奠定了基礎。

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另一方面，衍射光波導作為AR眼鏡的主流顯示技術路線，在前景廣闊的同時也極具復雜性。需要從衍射級次、入射角度、波長等多個角度進行衍射效率的優化。

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針對以上光柵衍射問題，至格科技自主掌握針對不同類型光柵的全套計算軟件。軟件算法來源于清華大學光柵與測量實驗室20余年的技術積累，基于傅里葉模態法（FMM）能夠快速準確地計算光柵的衍射問題。

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而且同時擁有功能完備的光柵母版加工中心以及完整的衍射光波導生產線和批量生產體系，實現了設計與制造的緊密配合。在做光柵設計的時候可以兼顧到母版加工和生產制造的工藝能力，遇到問題能夠及時調整優化，產品迭代速度非常快。

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目前至格科技已具備C端客戶的量產交付經驗，可以為客戶提供從設計、制版到材料和工藝的一站式解決方案，以及快速、穩定、可靠、低成本的衍射光波導量產交付方案。

隨著技術不斷發展與性能進一步優化，AR衍射光波導將會助力AR眼鏡走入千家萬戶，在元宇宙時代大放異彩。