光波导几何分析

几何光波导技术在现实生活中，我们的眼睛能看到物体是因为物体的光线被人眼所捕捉到，进入视网膜上，通过晶状体的聚焦，在视网膜上成像。

有时候光线会发生折射，比如把筷子放进水杯的时候，人眼看到的其实是筷子的虚像，它的位置其实跟实际物体的位置有所偏移。

通过光线折射，人眼能捕捉到虚像，这是最主要的AR原理。

为何选择光波导当我们在了解Google Glass时，会知道它的光学显示系统主要由投影仪和棱镜组成。

投影仪把图像投射出来，然后棱镜将图像直接反射到人眼视网膜中，与现实图像相叠加。

但是，这一套系统，存在一个视场角vs体积的天然矛盾。

Google Glass有15度的视场角，光学镜片10mm厚度；爱普生的AR眼镜有23度的视场角，13mm厚度：视场角越大，光学镜片就越厚，体积越大。

这些AR眼镜无论采用的是棱镜或者自由曲面的方案，都是通过对基本AR光学系统结构和位置改变，来平衡视场角和体积之间的矛盾。

要解决这一矛盾，同时获得大的视场角和小的体积，光波导方案是不二之选。

那么它将会如何解决呢？光波导的定义是：能够实现视场折叠和复原，并且通过全反射无损传输的光系统。

光波导系统包括耦入、波导、耦出三部分。

具体的流程是，首先，一个大视角的完整图片会被切割成若干块，然后折叠起来形成一个视场细条，这样就可以通过很小的光学镜片耦入，耦出部分再将切割后的图片复原完整。

耦入部分其实做的事情就是视场折叠，耦出部分实现的是视场复原，波导实现光线无损传输。

这样一来，光波导就可以在轻薄的光学镜片实现大的视场角。

几何光波导的工作原理及优缺点“几何光波导”的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于优化迭代，至今差不多快二十年了。

•工作原理按上图所示，耦合光进入波导的一般是一个反射面或者棱镜。

在多轮全反射后光到达眼镜前方时，会遇到一个“半透半反”镜面阵列，这就是耦合光出波导的结构了，也就是几何光波导里的“光组合器”。

“半透半反”的意思是一部分光可穿透、另一部分被反射。

导波光学的分析方法有哪些
几何光学法和波动光学法是导波光学的两种重要分析方法，大多数光波导部都可以采用这两种方法进行分析.几何光学法较波动光学法简单直观,对结构简单的光波导,其分析结果和波动理论一致;但对复杂问题,几何光学法给出的结果相当粗糙,要得到较为精确的结果还要借助波动光学.教学中，可以先采用几何光学法分析,让学生建立一个初步的物理概念,再用较为严格的波动光学法得到光线入射角取不同值时，平板波导中光线将会出现不同的传输模式.若光线在薄膜层与衬底层的界面,薄膜层与包层的界面上部发生全反射,光会被限制在薄膜层中,形成导模.再通过横向谐振条件得到平板波导特征方程，结合导模截止条件求出传输模式数,截止波长，截止厚度.至此，学生已建立起光波导的概念了.但是,用几何光学法却无法进一步得到波导中各种模式的场分布及功率分布.这些还必须依靠波动光学来解决利用麦克斯韦方程导出波动方程，结合波导的边界条件求解不但可得导模的特征方程，还能求得波导场分布，并且通过对己知的场分布进行积分能得到导模的功率分布.将两种方法的分析结果进行比较，可知对结构简单的平板波导,两种方法所得导模特征方程和截止条件完全相同.通过这种由浅入深的讲解可以化解学生对复杂的波动方程的畏惧感轻松掌握导波光学中的众多概念.。

光波导的几何光学分析光波导的几何光学分析是指通过光的几何传播规律对光波导的传输特性进行分析。

在光波导中，光通过介质的反射和折射来实现光的传输，几何光学分析可以帮助我们理解光波导的传输机制和特性。

以下是对光波导几何光学分析的详细介绍。

首先，光波导的几何光学分析需要考虑折射率分布和几何结构对光的传输影响。

折射率定义为光在介质中传播时的速度与真空中传播速度的比值。

在光波导中，通常使用一个核心层和一些包围核心层的包层来实现光的传输。

核心层的折射率通常高于包层和周围介质的折射率，这样可以通过总反射的机制将光限制在核心层中传播。

几何结构则包括波导的形状、尺寸和材料的选择等。

其次，几何光学分析的一个重要问题是光的传输模式。

在正常工作条件下，光波导中有多个可能的传输模式，其中每个模式都对应着一种光的传输情况。

每个传输模式都有特定的光传输路径，即光的传输轴线，以及对应的传输损耗。

几何光学分析可以计算不同模式的传输损耗，并帮助选择适合的模式进行光传输。

此外，几何光学分析还可以计算衍射效应对光的传输的影响。

衍射是一种波的传播现象，当光通过波导边缘或光波导中的几何结构时发生衍射。

衍射会导致光在波导中发生偏折和扩散，从而增加传输损耗。

几何光学分析可以模拟和计算衍射效应，并对其进行优化和减小。

最后，几何光学分析在光波导的设计和优化中起到重要的作用。

通过对波导的几何结构、材料和折射率的选择进行合理的分析和计算，可以获得最佳的光传输性能和最小的传输损耗。

几何光学分析可以帮助选择合适的波导尺寸和材料，以及优化光波导的形状和结构，以满足具体应用的要求。

综上所述，光波导的几何光学分析是一种重要的光传输分析方法，通过考虑折射率分布、几何结构、传输模式和衍射效应等因素，可以帮助我们更好地理解光波导的传输机制和特性。

几何光学分析在光波导的设计和优化中有着重要的应用价值，可以提高光传输效率和降低传输损耗，进而促进光波导技术的发展和应用。

光波导镜片是增强现实（AR）眼镜和头戴式显示器的关键元件，其原理基于光的全反射和引导技术，用于将微型显示器发出的图像信息传输并扩散到用户视野中，从而实现虚拟图像与真实环境的叠加。

基本工作原理：
1. 几何光波导（Geometric Waveguide）：
- 几何光波导利用连续的折射和反射过程来传播光线。

当光源发出的光线进入波导介质时，由于材料两侧折射率不同，光线在边界处发生全内反射，沿着波导路径传输，最终通过出瞳扩展器（exit pupil expander）扩散至人眼视网膜上形成清晰图像。

2. 衍射光波导（Diffractive Waveguide）：
- 衍射光波导使用微结构如表面浮雕光栅（Surface Relief Gratings, SRGs）或全息体光栅（Volume Holographic Gratings, VHG）等，在波导内部进行光的调控。

- 当光束从光源输入端射入波导后，经过设计好的光栅结构，按照预定的方向和角度进行衍射，进而沿着波导内部传播，并在适当的位置被再次衍射至眼睛方向，使图像信息能够在视线范围内显现。

两种类型的光波导都致力于减少系统体积、减轻重量，并确保图像质量均匀且无失真地呈现给用户。

为了实现更高效和更自然的AR体验，现代光波导技术不断优化，提高光效利用率、扩大视场角以及改善显示效果。