深度学习赋能新型超薄微棱镜波导AR显示 | Chin. Opt. Lett.封面

Chinese Optics Letters 2026年第6期封面文章：

Bo Wang, Lingbao Kong, Huixin Song, Xinlan Tang, Zhenzhen Ding, Junhua Wang, "Deep-learning-assisted microprism waveguide design toward enhanced optical performance in AR displays," Chin. Opt. Lett. 24, 062201 (2026)

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该研究提出了一种面向增强现实（AR）显示的深度学习辅助设计微棱镜波导结构，来自Micro-OLED的显示光通过减薄后的微棱镜结构并利用全内反射进行传输，同时半透明分光镀膜将虚拟图像与真实世界场景进行融合。可微分光线追迹与神经网络图像预处理相结合，共同补偿几何畸变和色差。仿真结果显示，该设计实现了厚度约8 mm、光学效率约44.3%、双目视场角36°的紧凑型AR光学系统。

增强现实（AR）眼镜需要在有限空间内实现清晰、明亮且自然的虚实融合显示，但现有光波导方案仍面临多重取舍：反射式系统成像质量较好，却往往结构较厚；衍射式波导足够轻薄，但光学效率和综合色彩表现受限；几何光波导虽较紧凑，仍易受到效率、均匀性和加工误差的影响。因此，探索兼顾轻薄、高效与成像质量的新型光波导结构，成为AR显示技术发展的重要方向。

图1 微棱镜光波导AR显示系统的总体结构及光路示意。（a）显示光的传播路径；（b）系统结构及关键光学表面；（c）微棱镜曲面的构造示意

为兼顾AR显示的轻薄化与高效率，复旦大学孔令豹教授团队以微棱镜结构替代部分传统厚重光学元件。显示光从微型显示器出射后，在波导内经由微棱镜表面实现受控偏转和全内反射传输，最终进入出瞳区域；半透半反膜层则使虚拟图像与真实场景能够同步呈现。该结构以更少的光学表面实现紧凑光路，为系统减重减薄提供了基础。

图2 不同视场与瞳孔位置的光线在微棱镜波导内的传播示意。光线在关键界面上的入射角受到全内反射条件约束，以保证显示光能够有效传输至出瞳

在紧凑结构的基础上，该研究进一步采用基于可微分光线追迹的端到端优化框架，将微棱镜参数、光学曲面与图像预处理网络纳入同一优化过程。图像在显示到OLED之前先由神经网络预处理，再经过微棱镜波导传输；系统依据最终成像误差同时更新光学参数和网络参数，从源头减轻几何畸变与横向色差。

图3 光学—算法协同优化框架。原始图像先经神经网络预处理并输出至OLED，再通过微棱镜AR光学系统传输；前向成像与反向优化共同完成光学参数和图像预补偿策略的联合更新

这一技术路线的核心突破在于，摆脱了传统方案中主要依靠增加光学元件改善画质的思路，依靠微棱镜结构负责构建轻薄、高效的光路，深度学习预补偿则弥补紧凑结构可能带来的成像误差，使系统在有限空间内兼顾光学效率、成像质量与透视显示能力。

仿真结果表明，在未进行预处理时，微棱镜波导会引入可见的几何畸变和色差；引入图像预补偿后，最终模拟显示结果明显改善。系统模拟成像的PSNR由11.86 dB提升至19.62 dB，SSIM由0.5471提升至0.8438，这表明预补偿能够有效提升图像保真度。

图4 深度学习预补偿对微棱镜AR显示成像质量的改善效果。（a）原始目标图像；（b）端到端优化后的模拟显示结果；（c）图像预处理网络输出；（d）未进行预处理时的直接成像结果；（e）（f）对应区域的色差偏移分布

研究展示了微棱镜光波导与智能算法协同设计的潜力，为未来轻量化、低功耗AR显示设备提供了新的技术思路。虽然相关性能为仿真结果，但后续仍可围绕加工误差、膜层性能、系统集成与真实佩戴体验开展进一步验证。

作

者

简

介

孔令豹，研究员，博士生导师，复旦大学上海超精密光学制造工程技术研究中心主任。哈尔滨工业大学学士和硕士，香港理工大学博士。曾先后任香港理工大学超精密加工全国重点实验室副研究员、高级研究员、科学主任等。长期致力于光学超精密制造及智能视觉检测技术研究，已承担和完成多个国家重点研发计划课题、国家自然基金项目、企事业委托项目等，发表学术论文280余篇，获30余项授权发明专利。入选2025全球顶尖科学家前2%榜单、获2025世界光子大会发明展金奖、国家教育部科技进步二等奖、香港理工大学杰出成就学院奖、英国机械工程协会Joseph Whitworth及AM Strickland奖，亚洲精密工程及纳米技术学会青年科学家奖、香港理工大学工业及系统工程学系杰出校友奖、中国光学工程学会2023科技进步三等奖等。为国际超精密工程院（CJUMP）、英国工程技术协会(IET)、美国机械工程师协会(ASME)、美国电气和电子工程师协会(IEEE)等组织成员，《中国机械工程学报（英文）》和 《极端制造（英文）》等期刊编委，中国光学学会光学制造专委会常委，中国光学工程学会理事，中国光学工程学会先进光学制造青年专家委员会主任委员等。。

王博，复旦大学未来信息创新学院博士研究生，依托上海市超精密光学制造工程技术研究中心开展科研工作。主要研究方向包括微纳光学器件设计、增强现实显示、光学三维测量与计算成像，重点关注光学系统与图像算法的协同优化，以及复杂微结构表面的高精度检测。作为第一作者在Chinese Optics Letters、Measurement、Optics Express 等期刊发表或录用研究成果，并围绕微棱镜增强现实显示与微细结构表面检测申请受理发明专利。