扩瞳不是 “放大画面”, 是 “复制出瞳”—— 光波导 Eyebox 的底层逻辑

“ 光波导扩瞳并非放大画面，而是依靠光栅在波导内部多次复制出瞳，生成更大 Eyebox，保证眼球移动时仍能看见完整图像。一维、二维扩瞳各有取舍，PVG 偏振复用实现单光机双边扩瞳，过渡区设计直接决定画面亮度均匀性。聊 AR 光波导，“扩瞳” 是行业被频繁提起的关键词。
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摘要：光波导扩瞳并非放大画面，而是依靠光栅在波导内部多次复制出瞳，生成更大 Eyebox，保证眼球移动时仍能看见完整图像。一维、二维扩瞳各有取舍，PVG 偏振复用实现单光机双边扩瞳，过渡区设计直接决定画面亮度均匀性。聊 AR 光波导，“扩瞳” 是行业被频繁提起的关键词。

 但很多人会产生误解：扩瞳，是把画面放大吗？并不是。画面大小由 FOV 视场角决定，扩瞳不会改变画面尺寸。

扩瞳真正处理的对象，是出瞳（Exit Pupil）。光机输出的光束只有一块狭小的出光口，眼球一旦偏离这个位置，画面就变暗甚至直接消失。

光波导依靠光栅结构，在波导内反复复制这个出光口，打造更大的观察区域，眼球小幅移动，依旧能看到完整画面。

出瞳与入瞳 —— 光学系统的 “光束出入口”

在聊扩瞳之前，先分清两个基础概念。入瞳（Entrance Pupil），是孔径光阑在物空间所成的像，相当于光束进入光学系统的入口。

出瞳（Exit Pupil），是孔径光阑在像空间的像，也就是光束离开系统的出口。放到 AR 光波导眼镜上看：光机自带固定尺寸的出瞳，光束射出的位置、口径都有限。

眼睛刚好对准出瞳，就能看到完整图像；一旦位置偏移，画面就会变暗甚至消失。扩瞳的核心目标，就是把这单个有限出瞳，复制到多个位置。

让眼睛能在更大范围内移动，这个可供眼球活动的观察窗口，就是 Eyebox。

一维扩瞳 —— 单向复制出瞳

一维扩瞳是最基础的光瞳扩展方案，只在单一方向（大多为水平方向）完成出瞳复制，最终形成狭长的 Eyebox。苏州大学相关综述文献对比了各类扩瞳架构。

一维扩瞳优势很直观：结构简单、光刻加工难度低，量产成本更容易控制。短板同样突出，扩展维度受限，眼球在垂直方向的移动容错空间很小，稍微上下偏移就容易丢画面。

典型 AR-HUD 一维扩瞳方案可以做到 80mm×15mm 出瞳，但视场角仅有 10°×5°。这类大长宽比方案常见于车载 AR-HUD，而非轻量化眼镜。

这类方案适合对垂直容差要求不高的场景。而消费级 AR 眼镜，垂直方向的眼球移动容差同样关键，二维扩瞳也就成为行业主流路线。

二维扩瞳 —— 两个方向同时复制出瞳

二维扩瞳，在水平、垂直两个维度同步复制出瞳，形成矩形 Eyebox，给到更大的眼球活动空间。

光波导二维扩瞳由三类核心光栅构成：耦入光栅 ICG，负责将图像光耦合进波导；正交光瞳扩展器 OPE，完成单方向光瞳扩展；出瞳扩展器 EPE，在另一方向继续扩瞳并把光耦出波导。

三组光栅的矢量方向需要构成闭合三角形，否则光线会在波导内发散或无法到达远端耦出区域，保障光线传播角度保持稳定。

二维扩瞳设计复杂度远高于一维。最大工程痛点是耦出区域亮度均匀性：光线每经过一次耦出区域，一部分能量就会被耦出，剩余光强持续衰减，容易出现靠近耦入端偏亮、远端偏暗的现象。

行业现在常用过渡耦出光栅、渐变周期光栅等手段，去抹平明暗差异。

PVG 偏振复用：单光机实现双边扩瞳

传统双目 AR，需要两套独立光机分别驱动左右眼，直接带来整机体积变大、功耗升高、装调难度上升等问题。

东南大学团队提出基于 PVG 偏振体全息光栅的双边扩瞳方案，只用一套光机就能实现双目成像。

PVG 核心特性就是偏振选择性衍射：仅对匹配手性的圆偏振光实现高效衍射，正交偏振光则几乎直接透射。

研究团队在耦入区域放置不同手性的 PVG，将单束入射光里不同圆偏振分量拆分，在波导左右两侧布置对称耦出区域，同步实现双目显示与二维扩瞳。

实验结果显示：波导左右两侧都能生成规整稳定的三维衍射点阵，两侧出瞳尺寸均为 20mm×15mm，可完整呈现对角线 30° 视场图像，左右眼光强分布保持一致。

扩瞳均匀性：过渡区设计的工程价值

扩瞳之后的画面亮度均匀度，直接决定 AR 眼镜的观感好坏。

如果耦出区域光栅结构直接切换（一维光栅跳转二维光栅），交界处会出现清晰的明暗分界线，眼球移动过程里，画面会出现突兀的明暗跳变。

相关专利方案提出，在不同耦出区域之间增加过渡区，依靠多级过渡耦出光栅实现光强由亮到暗平缓渐变，弱化突变感。

同一篇综述提到，优化扩瞳均匀性的手段包含变周期光栅、分区调制结构、多级输出设计。

这些方法都可以有效改善画面均匀度，但有代价：能量重新分配会引入额外光学损耗，整体光效会小幅下降。

结尾扩瞳不是放大画面，本质是复制出瞳。一维扩瞳解决单向眼球容差，二维扩瞳实现双向大范围观察；

PVG 偏振复用，让单光机驱动双目成为可行方案；而过渡区设计，决定扩瞳完成后的画面均匀度。

Eyebox 的大小，决定用户能不能轻松捕捉画面；扩瞳均匀性，决定看到的画面品质好不好。这两点，全部由扩瞳架构设计决定。

互动话题：在你的 AR 光波导设计中，扩瞳均匀性和光学效率之间的权衡，你是怎么取舍的？欢迎留言聊聊你的经验。

【风险注释】本文为产业科普，文中出瞳尺寸、视场角、实验数据来自公开文献，为特定实验条件下结果，不等同量产指标；扩瞳性能受光栅工艺、膜系、光机匹配影响，实际效果以器件整机实测为准。