上海交通大学的智能显示实验室（sdl.sjtu.edu.cn），提出了一种基于五通道波导及二维扩瞳器的近眼显示。如图1所示，其基本架构由（1）五通道波导、（2）入耦合光栅（ICG）、（3）出耦合光栅（OCG）所组成。其核心设计思路为将通道1/2/3/4/5的入耦合光栅置于仅包含子视场1/2/3/4/5的独立区域内，从而实现五通道的视场分割。与传统波导相比，一个显著特征是，五个入耦合光栅在位置上是错开的。
图1. 五通道波导架构图
与基于双通道视场分割的美国微软的HoloLens 2波导方案相比，基于五通道视场分割的波导方案具有更大的视场角。如图2所示，以折射率为1.8的波导为例，双通道的对角FOV上限为48度，而五通道可达到124度，甚至超过了美国Meta公司的Orion碳化硅方案（其视场角为70度）。
图2. 单/双/三/四/五通道波导方案的视场角FOV上限与折射率的关系
为验证方案的技术可行性，在VirtualLab Fusion软件的赋能下，课题组重点研究了四台阶及二维柱状光栅的衍射效率、波导的视场角上限、以及出瞳均匀性问题。如图3所示，对于486/546/633 nm的波长，锯齿光栅和四台阶光栅的衍射效率分别为58/69/58%和52/61/54%。以50%为基准的话，锯齿光栅和四台阶光栅的波长带宽分别为290 nm和218 nm。如图4所示，对于二维柱状光栅，其各个衍射级次（包括T(-1,0)、R(0,0)、R(-1,±1)和R(0,±1)）的效率则可通过光栅高度进行调控。至于二维出瞳扩展，如图5所示，于30 mm × 21 mm的出瞳区域，通过自定义参数关联与下降单纯形算法优化，得出了70个出耦合子光栅的衍射效率，分析了各出瞳的电磁场或光强。最后，本方案的关键指标总结如下：FOV=109°、出瞳距=10 mm、出瞳尺寸=6.2 × 6.2mm2、出瞳均匀性=54%。
图3. 四台阶光栅的衍射效率与波长的关系
图4. 二维柱状光栅的各级衍射级次的效率与光栅高度的关系
图5. 波导模块的光线追迹及出瞳均匀性分析
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