对增强现实(AR)有所了解的人，想必都听说过光波导，很多从业者都很看好光波导成为最终的AR光学方案，其中光波导分为反射光波导和衍射光波导，很多人想必都分不清，本文就来简单科普下什么是反射光波导；
反射光波导更详细的名称是阵列反射光波导，又叫几何光波导，反正以后看到这些名称你就知道这其实讲的是一个玩意就好了；
“光波导”和光纤的原理类似，都是用来传输光线的介质，如果将光线比喻成水流的话，光波导就像是传输水流用的水管，让成像用的光线能够在里面传导，而且不会跑出去，这其中需要满足几个条件，
（一）传输介质即波导材料（树脂、玻璃等，目前阵列光波导基本都是玻璃）需要具备比周围介质（空气）高的折射率；
（二）光进入波导的入射角需要大于临界角θc；如下图所示：
只有这样，光线才能够按照我们的要求在波导内方便地传导；
然而只是这样，光线也只能在波导内传导而已，无法进入人眼成像，这里就要介绍下一个阵列反射光波导中的和“反射”有关的核心器件了：
半透半反膜呈倾斜角度设置在成像光线1的路径上，将光线1分成光线2和光线3两部分，光线2是光线1中经过半透半反膜透射的光线，光线3是光线1中被半透半反膜反射的光线，光线3能够进入人眼最终成像，而光线2继续进入下一个半透半反膜，进入人眼的光线是被半透半反膜反射的光线3，因此对应“阵列反射光波导”中的“反射”一词；
如果只有一个半透半反膜的话，那么进入人眼成像的光线只有一条，对于个人佩戴而言，必须十分精准地佩戴，让这条光线3准确地射入瞳孔位置才能确保能够清楚地看清图像，眼球和光线的相对位置稍微改变，就看不清图像，这对佩戴观看体验是十分糟糕的，更何况不同的人，双眼瞳距的大小也不一样，因此入眼的光线3不能只有一条，那么怎么解决这个问题呢？
下面就引入“阵列反射光波导”中的另一个核心概念“阵列”；
何为阵列？就是沿着人两眼的方向，水平设置多个半透半反膜，每个半透半反膜都能够将一部分光线3反射入人眼，这样的话，就能够满足人眼球在动的同时或者不同瞳距的人都能够看清图像的需求了，这个将图像光线复制多份的过程，在光学中称之为“扩瞳”；
进入人眼的光线主要是被半透半反膜反射，进入半透半反膜的光线，一部分被反射进入人眼（上文中的光线3），还有一部分被透射（上图中的光线2）继续进入下一个半透半反膜，对于下一个半透半反膜来说，上一个半透半反膜中透射的光线2，就变成了源头光线（上图中的光线1），重新继续上述的过程，光线经过了好个阵列的半透半反膜之后，进入人眼的光线3也阵列了多次，这样就能够满足人眼球在动的同时或者不同瞳距的人都能够看清图像的需求了；
有了这个扩瞳技术，眼球能够动的范围通常能从最初的4毫米左右扩大到10毫米以上。瞳距的适配范围也能够增大到51毫米到77毫米不等；
但是你可能会产生疑问，多个出瞳将图像光线复制了多份，这样眼睛不会看到重影么？放心吧，出瞳面只是图像的“傅里叶面”，人眼瞳孔会从这个面截取完整的图像信息并用自带的“透镜”晶状体会将出瞳面透射到真正的“像面”（视网膜）上，因而同一角度的光还是会汇聚到同一个像素（视觉细胞），不会出现重影。
如果把光线比喻成水流，波导比喻成水管，那么半透半反膜，就像是水管之间的三通管，
进入水管（波导基底）的水流（光线）1，经过三通管（半透半反膜）一部分变成水流（光线）2，继续沿着水平方向流动，并进入下一个三通管（半透半反膜）；一部分变成水流（光线）3，直接流出水管（波导基底），进入人眼；
那么阵列反射光波导的光路图，就可类比成管道的水流路径图，如下所示：
实际上阵列反射光波导中的技术比水管要复杂的多，比如：
要保证成像光线能够通过这种方式进入人眼，还要能够保证外界的光线也能够直接透过光波导，进入人眼，这样才能做到AR所需的虚实结合；
上述中，阵列反射光波导中的能够将光线一分为二的器件，我们称之为：“半透半反膜”，实际上这只是便于大家理解，并不严谨，下面我们说一下原因：
从名称上我们很容易理解为，透射的光线2和反射的光线3都是光线1的一半，即半透半反膜的透（射）反（射）比值为1:1，即光线2和光线3均为光线1的1/2；那如果是这样的话，我们来看看会出现什么问题：
如果每个半透半反膜的透反比都是一样，为1:1，透射的光线和反射的光线均为1/2，那么上图中，反射光线3-1为光线1的1/2，
光线2-1为光线1的1/2，光线2-1有1/2透射变成了光线2-2；又有1/2反射，变成了反射光线3-2，也即反射光线3-2为光线1的1/2*1/2=1/4；
光线2-2接着进入第三个半透半反膜，其中又有1/2的光线透射变成光线2-3，剩下1/2的光线变成反射光线3-3，也即反射光线3-3为光线1的1/2*1/2*1/2=1/8,；
由此可以看出，如果每个半透半反膜的透反比都完全一样的话，那么入眼的光线，将会呈现等比数列，逐渐衰减，这样对于人眼观看来说，就是距离光源越近的位置的图像越亮，距离光源越远的位置，图像越暗，整个显示的区域光线亮度差异会非常大，这显然是无法满足观看需求的；那么要怎么解决这个问题呢？我们试着改变一下每个半透半反膜的透反比；
如上图所示，光线从左至右传播，从左至右光线遇到的第一个半透半反膜的透反比为4/1，即光线2-1为光线1的4/5；反射光线3-1为光线1的1/5；
光线2-2为光线2-1的3/4，也即为光线1的4/5*3/4=3/5；反射光线3-2为光线2-1的1/4，那么反射光线3-2为光线1的4/5*1/4=1/5，也即反射光线3-2为光线1的1/5；
同理，光线2-3为光线2-2的2/3，也即为光线1的3/5*2/3=2/5；反射光线3-3为光线2-2的1/3，那么反射光线3-3为光线1的3/5*1/3=1/5，即反射光线3-3为光线1的1/5；
同样的计算方式，反射光线3-4也为光线1的1/5，这样每个反射光线都是光线1的1/5，就能够保证各处看到的画面亮度一致了；
实际上，上面的只是在光学设计理想情况下的值，学过物理我们都知道这种理想状态，在现实世界中不存在的，只可能去无限接近它；
对于上述的光学来说，出于各种因素考虑，“半透半反膜”实际上包含可能多达十几种的功能膜层，每层膜层都会对光线透射和反射有所影响；光线本身在波导基底内传输的过程中也会发生一部分损耗；所幸人眼对于光线亮度的差异还不是那么的敏感，能够保证各处光线的亮度接近，对于普通人来说，已然很难分辨出来，即便如此，这对于光学设计来说还是充满的挑战，对于光学设计来说，膜层和玻璃基底的设置都要要保持极高的精准贴合度和表面平整度，否则都会对最终的成像画面有影响；
通过上面的解释，我们看到，通过在一个方向上，阵列设置多个半透半反膜，将入眼的反射光线在针对人眼的水平方向上，复制了多份，这种将光线沿着一个方向阵列复制成多份的，光学设计中一般叫做“一维扩瞳”，简单点理解就是一维扩瞳，能够让图像，“由点成线”；
实际使用时，人眼也不止在水平方向上动，因为每个人面型、鼻型的差别，眼镜使用时的佩戴高度可能也不一样，因此人们对阵列反射光波导提出了更高的要求，希望能够在竖直方向上，也能够将图像复制多份，怎么做到呢？
通过光学设计，在波导基底中，同时沿着水平方向和竖直方向，分别设置“半透半反膜”，就可以同时满足水平和竖直两个方向的光线复制（二维扩瞳）需求，能够让光线“由点成线”后再“由线成面”，如下图：
图中100为波导基底，121-125为水平方向阵列的多个半透半反膜，将右上角射入的光源的光线，沿着水平方向复制了多份（由点成线）；
126-1210为竖直方向阵列的多个半透半反膜，将121-125射出的光线，再统一在竖直方向上复制多份，最终光线在整个二维平面上被复制了多份（由线成面），进入人眼；
同样的；二维扩瞳的要求比一维扩瞳更高，二维扩瞳对膜层的工艺、贴合精准度；波导基底表面平整度、光源的亮度等要求都是需要在一维扩瞳的基础上，再高一个数量级；
近年来，已经陆续有一维扩瞳的阵列反射光波导的量产产品上市，比如Rokid Glass2、亮亮视野听语者、影目Air等，让大家第一次体验到量产的高透过率的光波导真 AR；
然而二维扩瞳阵列反射光波导目前还处在研发优化阶段，目前部分厂商也是陆续推出了光学模组和概念工程机，相信在整个行业的共同努力下，二维扩瞳阵列反射光波导的消费级产品面世，指日可待！
原文始发于微信公众号（8884）：【AR加油站】一文介绍什么是阵列反射光波导
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