在增強現實（AR）技術領域，體全息光柵結構憑借其獨特的光學特性，正逐漸成為實現高性能AR顯示的關鍵要素。不同類型的體全息光柵結構，各自以獨特的方式塑造著AR應用的體驗與發展方向。

一、體全息光柵基礎原理

體全息光柵是利用光的干涉原理，在光敏材料內部記錄干涉條紋而形成的三維衍射光柵。當兩束相干光（通常一束為參考光，另一束為物光）在光敏材料中相遇時，會產生干涉圖樣，光敏材料對這種干涉圖樣進行記錄，形成折射率或吸收系數呈周期性變化的結構 ，這便是體全息光柵。從微觀角度看，其周期性結構猶如納米級的“光學指紋”，精確調控著光的傳播。

當滿足布拉格條件時，特定波長和角度的入射光會在光柵內發生衍射。布拉格條件公式為2d sinθ = nλ ，其中d為光柵周期，θ為入射角與衍射角之和的一半，n為衍射級次, λ為光的波長。在體全息光柵中，只有滿足該條件的光才能被有效衍射，實現光的高效耦合、傳輸與出射 ，這種對光的精確操控能力是其在AR應用中的核心價值。

二、典型體全息光柵結構及AR應用

2.1 傳統體全息光柵（VHG）

傳統體全息光柵在AR-HUD（抬頭顯示）中應用廣泛，其原理基于光在周期性折射率調制結構中的衍射。在汽車領域，將體全息光柵嵌入風擋玻璃，配合投影系統可實現小體積、大視場角的AR-HUD。例如，某款概念車型采用這種技術，使HUD投影系統體積縮小約40% ，視場角提升至30°以上。其原理在于，體全息光柵具有高衍射效率（可達90%以上），能有效將投影光耦合進風擋并導向駕駛員視野，相較于傳統風擋玻璃反射率（15%左右）極大提升了能量利用率；同時，光柵的圖像放大功能減少了投影系統中大型曲面反射鏡的使用，優化了系統體積，為汽車座艙節省空間，使AR-HUD能更便捷地適配不同車型。在實際駕駛場景中，駕駛員通過AR-HUD能清晰獲取車速、導航等信息，這些信息仿佛懸浮在真實道路前方，與現實環境融合，提升駕駛安全性與便捷性。

2.2 偏振體全息光柵（PVG）

東南大學研發的全球首款偏振體全息光波導AR眼鏡“云雀”，便是PVG技術的典型應用。PVG通過全息干涉在材料內部形成基于折射率變化的周期性分布，與傳統表面浮雕光柵（SRG）技術相比優勢顯著。從光學性能上看，光效提升至300% ，大幅提升產品續航能力和顯示亮度，這意味著在相同電池容量下，AR眼鏡能持續工作更長時間，或者在相同功耗下提供更亮的顯示效果，滿足戶外強光環境下的使用需求；前向漏光降低80%，極大提升隱私性和社交友好性，旁人很難窺探到佩戴者看到的內容，避免信息泄露；獨特的偏振復用技術在實現大視場范圍（可達40°）和出瞳尺寸的同時，保證畫面的連續性與均勻性，為用戶提供清晰、舒適的視覺體驗。在制備工藝上，僅需濕法涂布和全息曝光，無需復雜昂貴的微納加工技術，成本降低60%，有望推動AR眼鏡大規模商業化普及。以教育領域應用為例，學生佩戴“云雀”AR眼鏡，在課堂上可以觀看立體的歷史場景重現、物理化學實驗模擬等，沉浸式學習體驗感更強，且成本的降低使得學校更有能力大規模配備此類設備。

2.3 啁啾體全息光柵（Chirped VHG）

啁啾體全息光柵的光柵周期沿傳播方向漸變，在AR顯示中可用于校正像差和色散。在復雜場景的AR展示中，不同顏色光的傳播路徑易產生偏差導致圖像模糊，啁啾體全息光柵通過對不同波長光的衍射角度進行精細調控，補償像差，確保紅、綠、藍三基色光精準匯聚于人眼視網膜，呈現高清晰度、無重影的彩色AR圖像 。在工業設計領域，設計師利用配備啁啾體全息光柵的AR設備，可以更準確地查看3D模型細節，不同材質顏色的顯示不會出現錯位或模糊，提高設計效率與準確性。此外，在醫學手術模擬訓練中，醫生能借助這種技術清晰分辨不同器官組織的虛擬模型，提升模擬手術的真實感與訓練效果。

三、面臨挑戰與解決方向

盡管體全息光柵在AR應用中優勢明顯，但也面臨挑戰。如環境溫度變化會使體全息材料熱脹冷縮，導致光柵結構變化，影響光學性能，尤其在彩色顯示中造成色彩偏差；復雜環境光下，體全息光柵可能產生彩虹紋等雜散光干擾，降低圖像對比度和清晰度。針對這些問題，材料科學家們致力于研發熱穩定性更高的體全息材料，如新型有機 - 無機雜化材料，通過分子結構設計增強材料的熱穩定性；光學工程師則通過優化光柵設計和系統光路，采用多層光柵結構或抗反射涂層等方法來抑制雜散光，多層光柵結構可以對不同角度和波長的雜散光進行多次衍射，使其偏離人眼視線，抗反射涂層則減少光線在光柵表面的反射，降低雜散光產生幾率。

四、未來展望

隨著技術的不斷進步，體全息光柵結構在AR領域將持續拓展應用邊界。一方面，在消費級AR設備中，更輕薄、高性能的體全息光柵將助力AR眼鏡向日常穿戴設備邁進，融入教育、娛樂、社交等更多生活場景。比如在社交方面，用戶通過AR眼鏡能實時獲取朋友的信息、興趣愛好展示等，實現全新的社交互動體驗；在娛樂方面，AR游戲將更加逼真，玩家仿佛置身游戲世界之中。另一方面，在工業、醫療、軍事等專業領域，體全息光柵技術將推動AR輔助設計、遠程手術指導、戰場態勢感知等應用向更高精度、更智能化方向發展。在遠程手術指導中，專家通過AR設備可以將手術關鍵步驟、注意事項等信息精準地呈現給現場醫生，提高手術成功率；在戰場態勢感知中，士兵佩戴AR裝備，能實時獲取戰場地圖、敵方位置等信息，提升作戰能力與生存幾率，為AR技術在各行業的深度融合與創新應用注入強大動力 。