光栅的升维打击：从一维刻痕到四维智能

本文将从维度演进的视角，重新梳理光栅技术的底层逻辑，并揭示一个趋势：光栅的未来，不是雕刻得更精细，而是用更少的维度，完成更多的功能。

AR 光波导的核心元件是光栅。但“光栅”这个词，掩盖了一个巨大的跨度：有的光栅只是一组平行的直线刻痕，有的光栅在平面上布满独立的纳米柱阵列，还有的光栅则是在材料内部“长”出三维的折射率网络。

一维光栅是指结构在 一个方向 上具有周期性，在垂直方向上均匀延伸。最简单的例子：矩形光栅、倾斜光栅、闪耀光栅。它们的截面轮廓可以在二维平面上描述，但沿着光栅线（长方向）没有任何变化。

一维光栅的设计参数很少：周期d、深度h、占空比f=w/d、倾斜角θt（如果非对称）。这些参数决定了它对光的衍射行为。

一维光栅的衍射行为由光栅方程描述（考虑波导介质折射率n）：

其中 d 为光栅周期，θ_i为入射角（在波导内部测量，以法线为基准），θ_m为第 m 级衍射角，m 为衍射级次，λ为真空波长。该方程表明：一维光栅只能在与光栅线垂直的平面内改变光的方向。它产生的衍射斑在远场表现为一条直线上的离散点（对应不同的 m 值）。

一维光栅的核心功能是 将一束入射光分裂成多个角度方向的出射光。在 AR 波导中，它天然适合做 一维扩瞳（1D EPE）——只沿水平方向扩展出瞳。例如，耦入光栅将光束从光机偏转入波导，使光线满足全内反射条件；耦出光栅则逐步将光线导出，在水平方向上拉长出瞳。转折光栅本质也是旋转了光栅矢量方向的一维光栅，用于将传播方向从水平转为垂直。

OAS软件中一维光栅模型；

（左）矩形光栅；（中）闪耀光栅；（右）倾斜光栅

二维光栅是指在波导表面两个正交方向上都具有周期性的表面结构。典型结构是二维点阵（如圆柱、方柱、十字形柱）排列成矩形或六角晶格。每个“柱”可以视为一个独立的超原子，但整体仍保持周期性——二维光栅不等同于超表面，后者是非周期或任意排布的相位调控单元，属于不同的技术路线。

其中d_x,d_y为两个方向的周期，ϕ为方位角。这意味着入射光可以被分裂到二维点阵上的多个衍射级次（m_x,m_y）。

二维光栅可以将一束入射光同时分裂到水平面和垂直面内的多个方向。这意味着一个二维光栅区域可以同时完成水平扩瞳和垂直扩瞳，即实现二维扩瞳（2D EPE），不再需要独立的转折光栅。此外，通过设计柱体的各向异性（如矩形柱而非圆柱），二维光栅可以对不同偏振态的光产生不同的相位延迟，实现偏振分束或偏振转换。

近年来的单层全彩衍射波导，常采用“一维耦入光栅 + 二维耦出光栅”架构。耦入光栅将光线偏转入波导，二维耦出光栅则同时负责将光在水平和垂直两个方向扩展并均匀导出。这种设计将波导上的光栅区域从三个压缩到两个，简化了设计和封装。2025年底，有研究团队展示了一款厚度仅1毫米的单层波导，使用二维耦出光栅，实现了对角线60° FOV和全彩显示，均匀性优于传统三区域设计。

OAS软件中二维光栅模型；

（左）二维椭圆光栅；（右）棋盘光栅

三维光栅是指折射率调制在 三个维度上 都呈现周期性（或准周期性）。典型代表是 体全息光栅（Volume Holographic Grating, VHG） 和 偏振体全息光栅（Polarization Volume Grating, PVG）。

它们的结构不是表面形貌，而是整个介质内部的折射率明暗条纹（VHG）或液晶分子的三维螺旋取向（PVG）。三维光栅没有“表面”可言——它在整个体积内工作。光线穿过光栅时，会与整个三维分布发生相互作用。

其中Λ为体光栅的周期（干涉条纹间距），θ_B为布拉格角（入射光与条纹平面的夹角），n为介质的平均折射率。偏离布拉格角Δθ时，衍射效率按sinc²函数迅速下降，角带宽通常仅±2^∘到±5^∘。这就是三维光栅角度滤波和波长滤波的来源——它只对特定角度和特定波长的光高效响应。

其中Δn为液晶的折射率调制度。当ΔnL满足半波条件时，效率接近100%。

需要强调的是，单个三维光栅是窄带器件——它的波长带宽通常只有几纳米到十几纳米。因此，要实现全彩显示，不能指望一块体光栅同时处理红、绿、蓝三色。实用的方案有两种：一是在不同空间位置写入不同周期的体光栅，分别响应R、G、B（例如在波导的耦出区依次排布三个子区域）；二是采用多层波导，每层负责一个颜色。

原文“单层全彩波导”示例正是基于第一种思路——在不同位置写入不同周期的体光栅，三色光各自独立传播、互不串扰，最后在眼盒处合束。这并不是用一个光栅同时滤波和全彩，而是用多个窄带光栅分区协作。

（左图）体全息光波导原理；（右图）OAS软件中体全息光波导模型，耦入/耦出光栅都是体全息光栅

维度跃迁的本质：功能集成度与设计自由度

将一维、二维、三维光栅放在一起对比，可以发现一个清晰的趋势：维度的增加，本质上是功能集成度的提高，但同时也改变了设计自由度和制造代价。

一维光栅（平行刻痕）的设计自由度最低，通常只有周期、深度、占空比、倾斜角等少数几个参数。它的核心功能是一维分束，制造工艺成熟（纳米压印），典型应用是需要三个独立区域才能完成耦入、转折和耦出的一维扩瞳波导。

二维光栅（周期点阵）的设计自由度较高，需要两个方向的晶格常数和柱几何参数。它能实现二维分束和偏振控制，单个区域即可完成二维扩瞳。制造工艺可行（纳米压印加精细模板），成本高于一维但已接近量产。

三维光栅（体全息/PVG）的设计自由度中等，由周期、厚度、液晶取向等决定。它的功能集成度最高，能同时实现角度/波长选择性和偏振控制，一个区域即可完成耦出扩瞳，且天然无彩虹。但窄带特性使其全彩实现需要分区或叠层，对光源准直性要求苛刻。

从一维到三维，同一块光栅能做的事情越来越多：一维光栅只做一件事（分束）；二维光栅可以把两件事合并（水平+垂直扩瞳，或分束+偏振控制）；三维光栅则以极窄的带宽换取极高的信噪比和无彩虹优势，同时提供圆偏振选择性。

维度不是越高越好。三维光栅虽然集成度高，但角度带宽窄，对光源和装配要求苛刻；二维光栅功能强大，但制造仍比一维复杂；一维光栅虽然功能单一，但成熟、便宜、宽容度高。

因此，最务实的设计往往采用混合维度：用一维光栅做耦入（宽容度高，适应光机的大角度发散），用二维光栅做转折+耦出（单区域完成二维扩瞳），或用一维光栅做耦入、三维光栅做耦出（利用三维光栅的无彩虹和圆偏振特性）。

例如，2025年的一项专利提出：在波导上集成一维倾斜光栅（耦入）+ 一维转折光栅 + PVG（耦出）。PVG作为耦出光栅，只衍射满足布拉格条件的圆偏振光，极大地抑制了杂散光和彩虹伪像。同时，前端的耦入和转折仍然使用成熟的一维光栅，保证整体良率。

（左）光机在中间的一拖二波导模型，均为一维光栅；（右）二维光栅扩瞳波导模型，一维耦入光栅 + 二维耦出光栅

如果继续追问：光栅的维度能否再增加？答案可能是时间。

可调谐光栅（如基于液晶的电控 PVG）引入了时间维度：通过外加电压改变液晶的取向，从而改变体光栅的有效周期或折射率调制度，实现在不同模式间切换（例如：窄角高亮度模式 vs. 广角舒适模式）。这种“时变光栅”相当于在三维结构上叠加了动态控制，属于第四维。

其中V为外加电压。通过设计电压，可以动态改变衍射角度或波长选择范围。

（左）可调谐PVG示意图；（右）反射PVG的衍射特性

从一维的平行刻痕，到二维的超原子阵列，再到三维的体全息网络，光栅的维度跃迁史，就是 AR 波导功能集成度的提升史。每一次维度的增加，都不是简单的“更密更细”，而是用更少的区域、更短的光路、更低的杂散光，完成更复杂的光场调控。

有趣的是，最终胜出的可能不是最高维度的技术，而是最聪明的混合维度方案。就像生物进化不会只保留最复杂的器官，而是让不同组织各司其职。光栅的未来，同样如此。

下一次当您佩戴 AR 眼镜，看到明亮、无彩虹、边缘清晰的虚拟图像时，不妨想一想：那块透明的镜片上，可能同时住着一维的“刻痕”、二维的“阵列”和三维的“网络”——它们各自收敛于最适合自己的维度，共同编织出你眼前的光场。