4. 波导基本原理
衍射光波导之所以能把一块微显示器发出的图像“搬”到眼前，核心依赖四个基本环节：光被耦合进波导、在波导内靠全内反射传播、在出瞳区域被逐级解耦、最终以一定视场和出瞳扩展进入人眼。理解这四件事，是后续设计耦入光栅、扩展光栅和耦出光栅的物理基础。
一、全内反射：光被“锁”在波导里的条件
光从光密介质（波导玻璃，折射率 n₁）射向光疏介质（空气，折射率 n₂≈1）时，当入射角大于临界角 θc，界面不再透射，光被全部反射回波导内部，这就是全内反射（TIR）。临界角由斯涅尔定律给出：
n₁ · sinθ₁ = n₂ · sinθ₂
θc = arcsin(n₂ / n₁)
例：n₁ = 1.8，n₂ = 1.0
θc = arcsin(1.0 / 1.8) ≈ 33.7°只要光在波导上下表面的入射角始终大于 θc，光就能在波导内反复反射、几乎无损耗地向前传播。折射率越高，临界角越小，允许传播的角度范围越大，这也是高折射率玻璃（n≈1.7~2.0）被广泛用于 AR 波导的原因。
二、光在波导中的传播：角度与路径
光在波导内的传播方向由波矢的横向分量决定。设光在波导内与法线夹角为 θ，则每次反射前进的水平距离（反射周期）为：
d = 2 · t · tanθ
t：波导厚度
θ：光在波导内与法线的夹角厚度 t 越大、角度 θ 越大，单次反射跨越的距离越长。传播过程中，光在波导平面内还会发生横向扩展，形成二维光场分布。设计时要保证：
- 所有视场角对应的光都满足 θ > θc，否则会漏光；
- 光在到达耦出区域前不被波导边缘或结构截断；
- 多次反射后光束仍保持足够的均匀性与亮度。
三、耦合与解耦机制：光栅的“进”与“出”
光栅通过周期结构提供额外的动量，使光的波矢发生改变。耦入光栅把外部入射光衍射到满足 TIR 的角度；耦出光栅则反过来，把波导内传播的光衍射到人眼方向。光栅方程可写为：
n₁ · sinθ_out = n₁ · sinθ_in + m · λ / Λ
λ：波长
Λ：光栅周期
m：衍射级次（通常取 ±1 级）耦入与耦出的角度关系互为逆过程。实际设计中，耦入光栅常采用倾斜或闪耀结构提高 +1 级效率，耦出光栅则通过多级、变周期或变深度设计，让光在出瞳区域被逐步、均匀地释放。
四、视场与出瞳：决定体验的两个关键参数
视场（FOV）由波导能支持的最大传播角度范围决定，受限于全内反射条件和光栅衍射角。出瞳（Exit Pupil）则是人眼能接收到图像的区域，通常通过出瞳扩展结构把一个小光瞳“复制”成大眼盒。
| 参数 | 物理含义 | 主要影响因素 | 设计目标 |
|---|---|---|---|
| 视场 FOV | 可显示的角度范围 | 折射率、光栅周期、TIR 临界角 | 覆盖人眼舒适观察范围 |
| 出瞳 / 眼盒 | 人眼可接收图像的区域 | 出瞳扩展结构、光栅效率分布 | 足够大且亮度均匀 |
| 波导厚度 | 影响反射周期与重量 | 材料、工艺、视场需求 | 薄且不截断光路 |
| 光栅效率 | 耦入/耦出能量比例 | 周期、深度、占空比、材料 | 高且均匀 |
五、案例与场景：从手机导航到车载 HUD
以 AR 导航眼镜为例：微显示器发出图像，经准直系统后以不同角度入射到耦入光栅；耦入光栅把各视场光衍射进波导，满足 TIR 后向耦出区传播；耦出光栅在眼盒范围内逐级释放光，最终在人眼前方形成虚拟图像叠加在真实道路上。若视场设计不足，边缘导航箭头会缺失；若出瞳扩展不均匀，眼盒边缘会变暗。
六、常见误区与复盘
- 只关注耦入效率，忽略耦出均匀性：导致眼盒中心亮、边缘暗。
- 视场角与 TIR 条件脱节：大角度光无法满足全内反射，出现漏光或串扰。
- 忽略波长色散：不同颜色衍射角不同，造成彩虹纹或色偏。
- 波导厚度与反射周期不匹配：光路被截断，图像出现暗带。
总结来看，全内反射提供约束，光栅提供角度转换，传播路径决定光场分布，视场与出瞳决定最终体验。四者环环相扣，任何一环设计不当，都会在成像质量、亮度均匀性或眼盒范围上直接暴露出来。