波导显示器的工作原理
波导（Waveguides）又称波导器，是能够引导光波、无线电波或声波沿特定路径传输的通道。智能眼镜和AR设备中的波导显示器是一种特殊的光学波导，专门为精确引导可见光而设计。
光学波导已有广泛应用：例如光纤网络构成了互联网和现代电信的基础。与可弯曲且能远距离传输调制红外光的光纤不同，智能眼镜中的光学波导平坦而刚性，仅将可见光传导数厘米直接进入人眼。
波导显示器的核心组件
波导眼镜显示器主要由两个组件构成：位于镜腿前部靠近铰链的光引擎（Light Engine），以及构成镜片或其部分的波导本体。
光引擎具有双重功能：
- 提供光源并通过微显示器生成微小图像，不同产品采用LCoS、Micro-OLED或MicroLED等技术
- 校准光线并以所需角度耦合进入波导
波导本体由高折射率基底材料（特种玻璃或塑料）制成，承担三个关键任务：
- 耦合光引擎发出的光线
- 沿镜片引导光线至目标位置
- 将光线耦合输出，精确导向佩戴者眼睛
全反射原理与光线管理
光线在波导内传播时，通过全反射现象被限制在基底材料内，如同在镜廊中传播。当光线从高折射率介质（波导基底）射向低折射率介质（通常是空气或承载镜片）时，若入射角超过临界角，就会发生全反射。折射率差异越大，能够将光线保持在基底内的角度范围就越宽，从而提升光传导效率，实现更薄更紧凑的波导设计。
最终在光线输出时，波导将光引擎产生的微小图像展开，创造出悬浮在空间中的图像平面，填充视场的小部分或大部分区域。
波导显示器的关键特性
波导显示器必须同时实现两个目标：将人工光线精确导入眼睛和视场，同时允许自然光透过其表面，保持环境可见性。两种光源的结合产生了叠加并扩展物理世界的数字叠加层。
透明度是波导显示器的决定性特征，这使其与Meta Quest 3或Apple Vision Pro等混合现实头显中的传统显示器区别开来。后者将LCD或OLED屏幕直接置于眼前，完全遮挡外部视野，通过摄像头采集真实环境并以视频图像重现——这种称为"穿透"（Passthrough）的技术，与波导等光学显示系统的"透视"（Seethrough）有本质区别。当混合现实头显关闭时，用户处于黑暗中；而波导显示器失效时，环境仍然可见。
不同类型的波导显示器
衍射波导（Diffractive Waveguides）
最常见的波导类型，通过植入波导基底的纳米结构弯曲光引擎的光线（“Diffraction"即衍射）。衍射波导应用于许多知名设备，如Hololens、Magic Leap、当前Snap Spectacles以及Meta的Orion原型。
衍射波导的优势在于能够实现特别宽的视场。基底材料的折射率起着核心作用：折射率越高，数字视场就可能越大。使用碳化硅代替玻璃作为波导基底，Orion实现了70度的超宽视场，相当于Ray-Ban Meta Display数字投影面积的16倍。同时，碳化硅减少了衍射波导的最大弱点之一：与波长相关的光衍射，这经常导致色彩失真和彩虹效应。但缺点在于：碳化硅制造工艺复杂，目前无法商业化。
几何反射波导（Geometric Reflective Waveguides）
由波导先驱Lumus推动发展，应用于Meta Ray-Ban Display。这类波导基于带有镜子和棱镜的经典几何光路，与通过衍射引导光线的衍射波导形成对比。这里使用半透明镜面层将光线导入眼睛，而非纳米结构。
几何反射波导需要极其精确地在玻璃上涂覆和排列半反射表面，微小偏差就可能导致亮度差异或色彩干扰。虽然长期以来大规模生产的可行性存疑，但Schott现已掌握系列生产技术。
对于不需要大视场的Ray-Ban Meta Display，Meta选择了制造成本更低且在其它性能领域有优势的几何反射波导。这类波导使用半透明镜子，几乎无损耗且与波长无关地反射光线，从而实现比衍射波导明显更高的图像质量、亮度和效率，使智能眼镜显示器能够使用数小时，并在明亮日光下保持可见。
另一个优点是几何反射波导的显示器对外部观察者几乎不可见，而衍射波导经常产生干扰性外部反射，可能影响眼神接触。
技术前景与发展趋势
两种波导技术都将继续发展：更高折射率的基底和来自半导体制造的新颖、更精确的压印技术可能减少衍射波导的弱点，而几何反射波导将在视场上迎头赶上，因为其视场较不依赖折射率。Lumus已宣布明年将推出可能与Orion竞争的新波导设计。
除了衍射和几何反射波导外，还有其他类型的波导显示器。如果像Ray-Ban Meta Display这样的智能眼镜取得成功，可能会加速研发，推动新型和子类型的出现。虽然也存在如Birdbath光学等其他显示方案，但波导目前被视为实现日常适用智能眼镜和AR设备的最有前景的技术。
这项技术经过多年发展最终达到市场成熟并触达消费者，被视为重要里程碑：这将改变我们在日常生活中使用消费电子产品的方式。