导读
增强现实头戴显示系统对光学中继结构提出了大视场角、轻薄化与高均匀性的综合要求。然而，现有光波导方案在实现大视场扩展时，往往面临显示均匀性下降及制造复杂度提升的问题。针对这一痛点，湖南大学胡跃强团队提出一种基于阵列式几何薄膜光波导结构的透射式头戴显示器光学系统。该系统通过角度选择膜系设计实现出瞳扩展，并引入“双半波片”偏振混合策略优化显示均匀性，在保持结构轻薄的同时完成样机验证与量产实现。
该成果以“高性能几何光波导头戴显示器设计”为题发表在《光学 精密工程》（中国科技期刊卓越行动计划二期支持期刊、EI、Scopus收录，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）。
阵列式几何薄膜光波导技术
阵列式几何薄膜光波导是一类典型的透射式近眼显示中继方案。其核心是：在波导片内部布置多片带膜系的分光面（“半透半反膜”），让光在波导内传播时逐级分光耦出，从而实现出瞳扩展（眼盒变大）并维持轻薄外形。与部分传统方案相比，该结构具备结构紧凑、环境适应性强、易加工、鬼像少等工程优势。
图1：半透半反阵列式几何光波导结构与出瞳扩展示意图
光波导量产的关键挑战：膜系角度窗口与均匀性矛盾
阵列波导要“又亮又匀”，首先取决于膜系在不同入射角下的反射/透射表现。该系统中，光在分光膜处存在两类典型入射角窗口：一类是负责有效耦出的“小角度范围”，另一类是容易带来能量损失与杂散光的“大角度范围”。因此，膜系设计不仅要保证有效耦出效率，还要压制不希望发生反射的角度区间，以避免鬼像与损耗。
更棘手的是：显示光机（LCoS）输出为偏振光，p光与s光在同一膜系下的角度响应趋势往往相反，容易导致中心与边缘视场亮度差异，使均匀性成为阵列波导工程落地的“卡点”。
“双半波片”偏振混合：把“反向趋势”变成“互补均衡”
为降低镀膜成本并兼顾角度窗口，论文采用多组膜系分担不同分光面的需求，并进一步提出偏振混合思路：利用半波片实现偏振态转换，使p/s两类偏振按比例混合后进入波导，从而“中和”反射率随角度的单调变化趋势，让不同视场的有效耦出更均衡。
在此基础上，团队并非简单“贴一整片半波片”，而是围绕耦入区域的光束分布特性进行精细化设计，将半波片分成两段并优化其位置与尺寸，形成“双半波片”结构，实现更有针对性的能量再分配，进一步提升均匀性表现。
图2：耦入区域结构优化
样机与测试：轻薄外形下的均匀性提升
基于系统级仿真与优化，团队完成透射式头戴显示器光学系统样机研制。样机镜片厚度约1.5 mm，单片波导质量低于5.5 g，整套光学系统总重约30 g，尺寸约66 mm × 16 mm × 29 mm，体现出面向佩戴式设备的轻量化特征。
在显示均匀性方面，论文对比了三种模组状态（无半波片、全面贴半波片、双半波片），结果表明双半波片方案可将实际显示均匀性提升至76.61%，相较单一偏振状态有明显改善。
图3：穿透式头戴显示器样机实物与尺寸示意。
工程应用前景
AR光波导产业化真正的难点，往往不在单一指标“做到极致”，而在“性能—工艺—成本—良率”的整体平衡。该研究的意义在于：以阵列式几何波导结构实现出瞳扩展与轻薄外形，同时用“双半波片”偏振混合策略在不显著增加制造复杂度的前提下改善显示均匀性，并依托成熟加工链条完成样机验证与量产化实现，为消费级与工业级AR应用提供可落地的光学系统方案。
论文信息
许恒深，姜玉婷，胡跃强. 高性能几何光波导头戴显示器设计[J]. 光学精密工程, 2026, 34(1): 35-43. DOI: 10.37188/OPE.20263401.0035.
https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20263401.0035/
部分作者及团队介绍
胡跃强，湖南大学机械与运载工程学院教授、博士生导师。国家高层次青年人才、中国科协青年人才托举工程、基金委中欧人才、湖湘青年英才（荷尖）、湖南省优青入选者。获中国新锐科技人物卓越影响奖、金国藩青年学子奖、微系统与纳米工程青年科学家奖和湖南省光学科技进展一等奖等奖项，入选Elsevier全球前2%顶尖科学家。
Email：huyq@hnu. edu. cn
团队介绍：
湖南大学平面光学先进设计与制造团队面向国防安全、航空航天及先进显示等高端领域的光电系统轻量化、集成化和智能化迫切需求，致力于平面光学元件及极简光电系统的理论设计、精密制造、多维集成和应用推进的研究。团队由1名国家杰青、3名国家级青年人才在内的50余名师生组成。团队成员背景多元，涵盖光学设计、微纳加工、器件封装、精密测试及应用转化等关键领域，形成了一个优势互补、高效协作的研究集体。
团队主持和完成国家重点研发计划项目、国家自然科学基金以及大型企事业单位委托开发项目30余项，在Nature Nanotechnology、Nature Energy、Light: Science & Applications、Nano Letters等国内外期刊上发表论文290余篇，总引18000余次，申请和授权发明专利80余项。获全国百篇优秀博士学位论文、中国十大新锐科技人物、湖南省先进科技工作者、微系统与纳米工程优秀青年科学家奖、湖南省科技进步一等奖、机械工业科技进步二等奖、山西省自然科学二等奖等荣誉。
