在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)領(lǐng)域，體全息光柵結(jié)構(gòu)憑借其獨(dú)特的光學(xué)特性，正逐漸成為實(shí)現(xiàn)高性能AR顯示的關(guān)鍵要素。不同類型的體全息光柵結(jié)構(gòu)，各自以獨(dú)特的方式塑造著AR應(yīng)用的體驗(yàn)與發(fā)展方向。
一、體全息光柵基礎(chǔ)原理
體全息光柵是利用光的干涉原理，在光敏材料內(nèi)部記錄干涉條紋而形成的三維衍射光柵。當(dāng)兩束相干光（通常一束為參考光，另一束為物光）在光敏材料中相遇時(shí)，會產(chǎn)生干涉圖樣，光敏材料對這種干涉圖樣進(jìn)行記錄，形成折射率或吸收系數(shù)呈周期性變化的結(jié)構(gòu) ，這便是體全息光柵。從微觀角度看，其周期性結(jié)構(gòu)猶如納米級的“光學(xué)指紋”，精確調(diào)控著光的傳播。
當(dāng)滿足布拉格條件時(shí)，特定波長和角度的入射光會在光柵內(nèi)發(fā)生衍射。布拉格條件公式為2d sinθ = nλ ，其中d為光柵周期，θ為入射角與衍射角之和的一半，n為衍射級次, λ為光的波長。在體全息光柵中，只有滿足該條件的光才能被有效衍射，實(shí)現(xiàn)光的高效耦合、傳輸與出射 ，這種對光的精確操控能力是其在AR應(yīng)用中的核心價(jià)值。
二、典型體全息光柵結(jié)構(gòu)及AR應(yīng)用
2.1 傳統(tǒng)體全息光柵（VHG）
傳統(tǒng)體全息光柵在AR-HUD（抬頭顯示）中應(yīng)用廣泛，其原理基于光在周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)中的衍射。在汽車領(lǐng)域，將體全息光柵嵌入風(fēng)擋玻璃，配合投影系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小體積、大視場角的AR-HUD。例如，某款概念車型采用這種技術(shù)，使HUD投影系統(tǒng)體積縮小約40% ，視場角提升至30°以上。其原理在于，體全息光柵具有高衍射效率（可達(dá)90%以上），能有效將投影光耦合進(jìn)風(fēng)擋并導(dǎo)向駕駛員視野，相較于傳統(tǒng)風(fēng)擋玻璃反射率（15%左右）極大提升了能量利用率；同時(shí)，光柵的圖像放大功能減少了投影系統(tǒng)中大型曲面反射鏡的使用，優(yōu)化了系統(tǒng)體積，為汽車座艙節(jié)省空間，使AR-HUD能更便捷地適配不同車型。在實(shí)際駕駛場景中，駕駛員通過AR-HUD能清晰獲取車速、導(dǎo)航等信息，這些信息仿佛懸浮在真實(shí)道路前方，與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合，提升駕駛安全性與便捷性。
2.2 偏振體全息光柵（PVG）
東南大學(xué)研發(fā)的全球首款偏振體全息光波導(dǎo)AR眼鏡“云雀”，便是PVG技術(shù)的典型應(yīng)用。PVG通過全息干涉在材料內(nèi)部形成基于折射率變化的周期性分布，與傳統(tǒng)表面浮雕光柵（SRG）技術(shù)相比優(yōu)勢顯著。從光學(xué)性能上看，光效提升至300% ，大幅提升產(chǎn)品續(xù)航能力和顯示亮度，這意味著在相同電池容量下，AR眼鏡能持續(xù)工作更長時(shí)間，或者在相同功耗下提供更亮的顯示效果，滿足戶外強(qiáng)光環(huán)境下的使用需求；前向漏光降低80%，極大提升隱私性和社交友好性，旁人很難窺探到佩戴者看到的內(nèi)容，避免信息泄露；獨(dú)特的偏振復(fù)用技術(shù)在實(shí)現(xiàn)大視場范圍（可達(dá)40°）和出瞳尺寸的同時(shí)，保證畫面的連續(xù)性與均勻性，為用戶提供清晰、舒適的視覺體驗(yàn)。在制備工藝上，僅需濕法涂布和全息曝光，無需復(fù)雜昂貴的微納加工技術(shù)，成本降低60%，有望推動(dòng)AR眼鏡大規(guī)模商業(yè)化普及。以教育領(lǐng)域應(yīng)用為例，學(xué)生佩戴“云雀”AR眼鏡，在課堂上可以觀看立體的歷史場景重現(xiàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M等，沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)感更強(qiáng)，且成本的降低使得學(xué)校更有能力大規(guī)模配備此類設(shè)備。
2.3 啁啾體全息光柵（Chirped VHG）
啁啾體全息光柵的光柵周期沿傳播方向漸變，在AR顯示中可用于校正像差和色散。在復(fù)雜場景的AR展示中，不同顏色光的傳播路徑易產(chǎn)生偏差導(dǎo)致圖像模糊，啁啾體全息光柵通過對不同波長光的衍射角度進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，補(bǔ)償像差，確保紅、綠、藍(lán)三基色光精準(zhǔn)匯聚于人眼視網(wǎng)膜，呈現(xiàn)高清晰度、無重影的彩色AR圖像 。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師利用配備啁啾體全息光柵的AR設(shè)備，可以更準(zhǔn)確地查看3D模型細(xì)節(jié)，不同材質(zhì)顏色的顯示不會出現(xiàn)錯(cuò)位或模糊，提高設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性。此外，在醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬訓(xùn)練中，醫(yī)生能借助這種技術(shù)清晰分辨不同器官組織的虛擬模型，提升模擬手術(shù)的真實(shí)感與訓(xùn)練效果。
三、面臨挑戰(zhàn)與解決方向
盡管體全息光柵在AR應(yīng)用中優(yōu)勢明顯，但也面臨挑戰(zhàn)。如環(huán)境溫度變化會使體全息材料熱脹冷縮，導(dǎo)致光柵結(jié)構(gòu)變化，影響光學(xué)性能，尤其在彩色顯示中造成色彩偏差；復(fù)雜環(huán)境光下，體全息光柵可能產(chǎn)生彩虹紋等雜散光干擾，降低圖像對比度和清晰度。針對這些問題，材料科學(xué)家們致力于研發(fā)熱穩(wěn)定性更高的體全息材料，如新型有機(jī) - 無機(jī)雜化材料，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)材料的熱穩(wěn)定性；光學(xué)工程師則通過優(yōu)化光柵設(shè)計(jì)和系統(tǒng)光路，采用多層光柵結(jié)構(gòu)或抗反射涂層等方法來抑制雜散光，多層光柵結(jié)構(gòu)可以對不同角度和波長的雜散光進(jìn)行多次衍射，使其偏離人眼視線，抗反射涂層則減少光線在光柵表面的反射，降低雜散光產(chǎn)生幾率。
四、未來展望
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，體全息光柵結(jié)構(gòu)在AR領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)拓展應(yīng)用邊界。一方面，在消費(fèi)級AR設(shè)備中，更輕薄、高性能的體全息光柵將助力AR眼鏡向日常穿戴設(shè)備邁進(jìn)，融入教育、娛樂、社交等更多生活場景。比如在社交方面，用戶通過AR眼鏡能實(shí)時(shí)獲取朋友的信息、興趣愛好展示等，實(shí)現(xiàn)全新的社交互動(dòng)體驗(yàn)；在娛樂方面，AR游戲?qū)⒏颖普�，玩家仿佛置身游戲世界之中。另一方面，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等專業(yè)領(lǐng)域，體全息光柵技術(shù)將推動(dòng)AR輔助設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)、戰(zhàn)場態(tài)勢感知等應(yīng)用向更高精度、更智能化方向發(fā)展。在遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)中，專家通過AR設(shè)備可以將手術(shù)關(guān)鍵步驟、注意事項(xiàng)等信息精準(zhǔn)地呈現(xiàn)給現(xiàn)場醫(yī)生，提高手術(shù)成功率；在戰(zhàn)場態(tài)勢感知中，士兵佩戴AR裝備，能實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場地圖、敵方位置等信息，提升作戰(zhàn)能力與生存幾率，為AR技術(shù)在各行業(yè)的深度融合與創(chuàng)新應(yīng)用注入強(qiáng)大動(dòng)力 。
