AR 光波导表面浮雕光栅（SRG）：衍射效率与均匀性的检测挑战

增强现实眼镜的亮度、均匀性与彩虹效应，最终取决于光波导上纳米级表面浮雕光栅的衍射效率。本文解析 SRG 的衍射效率与均匀性如何被精确测量。

导读：光波导（Waveguide）是 AR 眼镜实现轻量化、大视场的关键技术路线。其中，表面浮雕光栅（Surface Relief Grating, SRG）作为耦入、扩瞳与耦出元件，其衍射效率与均匀性直接决定了 AR 画面的亮度与色彩一致性。但 SRG 的周期通常在数百纳米量级，检测难度远超常规光学元件。

一、AR 光波导与表面浮雕光栅

AR 光波导的核心原理，是把投影光引擎（Micro-LED / LCoS / 激光扫描）出射的光，通过耦入光栅耦合进透明基底，让光在基底内以全反射方式传播，再通过扩瞳光栅与耦出光栅把光均匀地"释放"到人眼。

这条链路上的每一个光栅，都是一片周期结构极小的衍射元件：

d · (sin θᵢ + sin θₘ) = m λ

其中 d 为光栅周期，θᵢ 为入射角，θₘ 为第 m 级衍射角，λ 为波长。SRG 的周期 d 决定了衍射角，而光栅的槽形（槽深、占空比、侧壁角）决定了各级次的衍射效率分配。

1.1 衍射效率：AR 亮度的根本

衍射效率（Diffraction Efficiency）定义为目标衍射级次的能量与入射能量的比值。对 AR 光波导，耦入光栅希望把尽可能多的能量衍射到 +1 级（或 −1 级）并耦合进波导，而把 0 级与杂散级次的能量压到最低。

一个关键工程指标是单级衍射效率——它直接决定了多少"光"真正进入了画面。若耦入光栅的 +1 级效率只有 30%，则意味着 70% 的光被浪费，AR 眼镜的亮度将大打折扣。

二、衍射效率的检测方法

2.1 分光光度法：直接测透射/衍射能量

最直接的方法是用分光光度计或专用的衍射效率测试台，将准直光以设计入射角照射 SRG，分别测量 0 级、±1 级等各级次的衍射能量，计算效率。这一方法需要精确的角度控制与多级次探测。

2.2 测角法：从衍射角反演光栅参数

对于光栅周期的检验，可通过精密测角测量入射角与衍射角的关系，反演光栅周期 d，并校验其与设计值的偏差。PrismMaster 系列精密测角仪具备亚角秒级的角度测量能力，可用于衍射角的精确测定与光栅周期验证。

d = mλ / (sin θᵢ + sin θₘ)

三、均匀性检测：AR 画面的"亮度斑块"问题

衍射效率的均匀性是 AR 光波导检测的另一大难点。扩瞳光栅与耦出光栅需要在波导的不同位置、不同视场角、不同波长下，都保持一致的衍射效率，否则人眼会看到明显的亮度不均匀——业内俗称"亮度斑块"或"彩虹效应"。

均匀性检测需要回答三个维度的问题：

这三个维度共同决定了 AR 画面的亮度均匀性与色彩均匀性，是 SRG 光波导量产良率的核心瓶颈。

四、SRG 检测的工程挑战

4.1 纳米级结构的表征

SRG 的槽深、占空比、侧壁角等纳米级结构参数，需要用原子力显微镜（AFM）或扫描电子显微镜（SEM）进行离线表征。但这些手段是破坏性或抽检性的，无法用于量产全检。量产中通常以衍射效率与衍射角作为 SRG 的"功能指标"进行快速判级——这也是测角法在产线中的价值所在。

4.2 角度精度要求

SRG 的衍射角对光栅周期极为敏感。以 630nm 红光、45° 入射、周期 400nm 为例，光栅周期每偏差 1nm，衍射角偏差可达 0.1° 量级。因此，衍射角的精确测量需要亚角秒到角秒级的角度分辨率——这正是精密测角仪的核心能力。

五、解决方案：精密测角 + 衍射效率联合检测

针对 AR 光波导 SRG 的检测需求，欧光科技可提供基于 TRIOPTICS 产品的解决方案：

• 衍射角与光栅周期验证：PrismMaster 系列精密测角仪，提供亚角秒级角度测量，精确测定衍射角并反演光栅周期；

• 波前与面形控制：µPhase 系列干涉仪用于波导基底面形与波前质量控制，保证全反射传播的光学质量；

• 系统级均匀性评估：结合专用测试工装，对耦出画面的亮度与色度均匀性进行整机级评估。

具体测量配置、角度精度与可测波长范围，需根据 SRG 的周期、槽形与目标波长进行选型，实际规格以官方配置为准。

AR 光波导表面浮雕光栅，是光学检测领域"从宏观走向纳米"的标志性挑战。它的衍射效率决定了 AR 眼镜的亮度，均匀性决定了画面的观感，而这两者都可以通过精密测角与衍射效率测量的组合方案进行量化控制。

对于 AR 光波导产业链上的企业，建立 SRG 衍射角、衍射效率与均匀性的完整检测能力，是把纳米级光栅结构"做得出、测得准、产得稳"的前提，也是 AR 眼镜从样机走向量产的关键一环。