得益于微显示技术、超紧凑成像光学系统和高速数字处理器的进步，增强现实 (AR) 已从一个未来概念发展成为一项广泛应用的技术。

偏振体光栅打破了 AR 波导显示器中均匀性与效率之间的权衡

通过将虚拟内容与现实世界场景相融合，AR 增强了我们与环境的交互，实现教育、医疗保健、导航、游戏和制造业等领域的应用。

基于波导的 AR 显示器取得了重大进展，产生了重量轻、纤薄且光学性能更佳的可穿戴系统，这得益于部分反射镜、表面浮雕光栅、体全息光栅、偏振体光栅 (PVG)、超表面等耦合器的创新。

然而，波导显示器(特别是衍射型显示器)的效率低仍然是一个挑战，限制了现代电池供电的近眼显示器的运行时间。

在《光科学与应用》杂志上发表的一篇论文中，由中佛罗里达大学的 Shin-Tson Wu 教授和南京大学的 Yuning Zhang 教授领导的科学家团队分析了基于波导的 AR 显示器光学效率低下的原因。

他们发现耦合器内有严重的漏光现象，这是由维持良好眼罩均匀性所必需的多次相互作用造成的。为了解决这个问题，该团队在 PVG 中发现了一种异常的偏振转换现象。这一现象为整个眼罩和视场 (FoV) 内耦合效率与均匀性之间的权衡提供了一个直观的解决方案。

利用这一发现，研究人员超越了传统基于波导的 AR 显示器的耦合效率极限，有效减少了漏光，并将耦合效率和 FoV 均匀性分别提高了 2 倍和 2.3 倍。

这一进展凸显了 PVG 作为波导型 AR 显示器耦合器的优越性，标志着高效 AR 技术开发向前迈出了重要一步。

PVG 是偏振选择性全息光学元件，可记录由右旋圆偏振(RCP) 和左旋圆偏振 (LCP) 组成的两束干涉光束的偏振信息。PVG 具有倾斜胆甾型液晶 (CLC) 结构，可选择性反射与螺旋扭曲相匹配的圆偏振状态，同时透射具有相反圆偏振状态的光。

然而，研究人员发现了一个与上述规律不符的反常现象，当玻璃基板中的入射角接近布拉格平面时，PVG 会充当波片而非光栅的角色，从而改变入射光的偏振状态。

由于这两种优越的偏振特性，使用 PVG 作为波导显示器中的内耦合器可以显著提高整个 FoV 内的内耦合效率和均匀性，同时与传统和超表面耦合器相比，保持出色的眼框连续性。

具体来说，入射的 LCP 光最初偏转到波导基板中，由于 PVG 的偏振选择性，光保持其偏振状态。在第一次相互作用和全内反射 (TIR) 之后，光的偏振状态转换为 RCP。

在与 PVG 第二次相互作用时，光会发生偏振转换，如果 PVG 厚度满足半波条件，则光会变回 LCP。在另一次 TIR 之后，光会变成 RCP 并通过 PVG 传输，使其能够在波导内部传播同时保持其方向。因此，此过程显著提高了耦合效率和均匀性，同时保持了所需的眼区连续性。

这一发现标志着高效波导型 AR 显示器的重大进步，展示了 PVG 相对于传统和超表面内耦合器的优势。