智能眼镜光学系统的全貌 - 听到光机、衍射光波导等名词不再迷茫

自从2025年Meta联合Ray-ban 推出了智能(AI）眼镜，在市场上一骑绝尘。沉寂的眼镜市场又掀起了各大品牌的“百镜大战”，从在眼镜上增加音频单元，摄像头，到进一步集成光机显示系统。眼镜作为AI的关键入口，在2026年的CES上的热度也是略见一斑，很多品牌在蓄力2026年的眼镜产品升级。

面对一系列绕口的名词，如光机、光波导、birdbatch, pancake, 衍射光波导，自由曲面等，都是一头雾水，在此小编把智能眼镜光学系统的关键名词和沟通做如下讲解，希望能帮到大家。

一、光机的构成部件

光机 是智能眼镜/头显的“图像生成引擎”，它的核心任务是将电子信号转化为可供人眼观看的虚像。一个完整的光机通常包含以下关键部件：

1. 图像源（微型显示器）：

· 核心成像元件。常见有：

· Micro-OLED：自发光，高对比度、色彩佳，响应快。

· Micro-LED：自发光，超高亮度、长寿命，下一代方向。

· LCOS：反射式，高分辨率，需要外部照明。

· DLP：反射式，高亮度，通常体积稍大。

2. 照明系统：

· 对于非自发光显示器（如LCOS），需要LED光源和匀光器件（如光棒、复眼透镜）来提供均匀的照明。

· 对于Micro-OLED/LED，此部分为自身像素发光。

3. 准直/投影光学系统：

· 核心功能：将显示器发出的发散光，转换为准直光（平行光），模拟无穷远处的虚像，并投射到下一个环节（组合器或中继透镜）。

· 构成：通常由一片或多片透镜组成。

4. 中继/转向光学部件：

· 在一些方案中，需要棱镜、反射镜等来改变光路方向，以适应特定的光学布局。

5. 驱动与控制电路：

· 显示驱动板、照明驱动板、温度控制等，负责为显示器和光源提供精确的电信号。

6. 结构件与散热系统：

· 精密金属/塑料结构，固定所有光学元件，确保光路稳定。

· 散热片、风扇或热管，用于管理显示器（尤其是高亮度Micro-LED）产生的热量。

简单流程：电路驱动图像源发光 → 照明系统提供均匀背光（如需要）→ 准直光学系统将光变为平行光 → 通过中继光学进入组合器/目镜 → 最终进入人眼。

二、不同的光学方案与主要厂商

智能眼镜/头显的光学方案主要围绕 “如何将光机生成的图像与真实世界结合” 来划分。

从方案大类, 核心原理,优点, 缺点, 代表厂商产品等进行说明：

1. 光波导 光在透明介质内全反射传播，通过光栅耦合进出。 极致轻薄，透光度高，眼动范围大，外观最接近普通眼镜。 工艺复杂，成本高，色散/鬼影控制难，FOV相对受限。

衍射光波导：微软(HoloLens 2)， Magic Leap, XREAL, 雷鸟， Rokid, Vuzix。 阵列光波导：部分企业级产品（如Lumus方案）。

2. Pancake 利用偏振分光膜和1/4波片，让光线在折叠光路中多次反射，压缩光路。 路径极短，头显可做得非常紧凑轻薄，VR图像质量高。 光学效率低（需高亮度显示器），鬼影控制难，

通常只用于VR/视频透视MR（非光学透视）。 Meta (Quest Pro, Quest 3), Apple (Vision Pro), HTC (Vive XR Elite), PICO 4。

3. BirdBath 光线在“鸟浴盆”状棱镜内经分光镜反射/透射，与实景光结合。 技术成熟，FOV大，图像质量好。 体积厚，光效有损失，环境光强时虚拟图像易变淡。 多数VR/AR一体机的视频透视模式（如Quest 2）， 部分早期AR眼镜。

4. 自由曲面/棱镜 利用特殊设计的曲面反射镜或棱镜直接反射成像。 结构相对简单，光学效率高。 眼动范围小，FOV小，外观突兀（像潜水镜）。 Google Glass (Enterprise), 爱普生 (Moverio)。

说明：

· 光波导是AR眼镜追求“眼镜形态”的主流甚至唯一可行路径。

· Pancake是目前VR/视频透视MR头显实现轻薄化的主流路径。

· BirdBath和自由曲面在逐步被前两者替代，但在特定领域仍有应用。

三、关键技术与概念详解

1. 什么是衍射光波导？

· 定义：利用衍射光学元件（主要是表面浮雕光栅或体全息光栅）作为光输入/输出耦合器的光波导。

· 工作原理：

1. 入耦：光机光线射向波导边缘的入耦光栅，光栅通过衍射改变光线角度，使其满足波导内全反射条件。

2. 传输：光线在波导片内全反射横向传播，过程中自然扩展。

3. 出耦：光线遇到出耦光栅阵列，再次通过衍射被“提取”出波导，射向人眼。

· 特点：可实现二维扩瞳，镜片可做得非常平整。是消费级AR眼镜最主流的技术。

2. 什么是自由曲面光波导？

· 澄清：这是一个易混淆的概念。通常所说的“自由曲面”是指几何光学方案中的自由曲面反射镜（如Google Glass），它本身不是波导。

· 正确理解：在波导领域，更准确的相关术语是阵列光波导或几何光波导。

· 它使用一系列半反半透的平面反射镜阵列（而非衍射光栅）作为出耦器。

· 光线在波导内全反射，每遇到一个反射镜就有一部分光被反射出瞳。

· 优点：图像质量好，无色散。

· 缺点：制造复杂，镜片通常较厚，难以大规模生产。代表公司有Lumus。

3. 什么是LCOS？

· 定义：硅基液晶，是一种反射式微型显示器技术。

· 工作原理：在硅基CMOS电路上制作液晶单元。电路控制每个像素上液晶的旋光状态，从而调制从外部光源照射过来并反射出去的光的强度，形成图像。

· 特点：

· 优点：像素间隙小，分辨率可做得很高，色彩好。

· 缺点：需要外部照明系统（LED+匀光），响应速度略慢于OLED，有“屏闪”现象。

· 应用：过去广泛用于投影仪和部分AR/VR设备，正逐渐被自发的Micro-OLED和Micro-LED取代。

4. 什么是Pancake？

· 定义：一种超短焦折叠光路光学方案，并非显示器技术。

· 工作原理：

1. 显示器发出的光先通过一片偏振分光镜。

2. 透过的偏振光经过1/4波片，被反射镜反射后再次通过1/4波片，偏振方向旋转90度。

3. 此时光线被偏振分光镜反射向人眼方向。

4. 这个过程可能多次发生，使光路在有限空间内多次折叠，从而大幅缩短镜头总长度。

· 特点：

· 核心优势：将传统非球面透镜数十毫米的光路，压缩到十几毫米甚至更短，是实现轻薄VR头显的关键。

· 核心挑战：光线在多次反射中能量损失大（光学效率常低于10%），因此必须搭配超高亮度的Micro-OLED显示器，并要精细控制偏振和鬼影。

· 应用：专用于VR和视频透视MR设备，如Apple Vision Pro、Meta Quest 3等。

总结与关系图

光机（图像引擎）

├── 图像源（Micro-OLED, Micro-LED, LCOS, DLP）

├── 照明系统（针对LCOS/DLP）

├── 准直光学

└── 控制与散热

光学方案（决定图像如何进入眼睛）

├── AR路径（光学透视）：

│ ├── 衍射光波导（主流未来方向）

│ ├── 阵列/几何光波导（专业领域）

│ └── 自由曲面/棱镜（逐步淘汰）

│

└── VR/视频透视MR路径：

├── Pancake方案（绝对主流）

└── 非球面透镜等传统方案（逐步淘汰）

备注：

- BirdBath可看作一种特殊的光学组合器，可用于轻量MR。

- 光机是为光学方案服务的“发动机”，不同方案需要适配不同类型的光机。

希望这份详尽且结构化的解答能帮助您清晰理解智能眼镜光学系统的全貌。