在增强现实（AR）技术领域，体全息光栅结构凭借其独特的光学特性，正逐渐成为实现高性能AR显示的关键要素。不同类型的体全息光栅结构，各自以独特的方式塑造着AR应用的体验与发展方向。
一、体全息光栅基础原理
体全息光栅是利用光的干涉原理，在光敏材料内部记录干涉条纹而形成的三维衍射光栅。当两束相干光（通常一束为参考光，另一束为物光）在光敏材料中相遇时，会产生干涉图样，光敏材料对这种干涉图样进行记录，形成折射率或吸收系数呈周期性变化的结构 ，这便是体全息光栅。从微观角度看，其周期性结构犹如纳米级的“光学指纹”，精确调控着光的传播。
当满足布拉格条件时，特定波长和角度的入射光会在光栅内发生衍射。布拉格条件公式为2d sinθ = nλ ，其中d为光栅周期，θ为入射角与衍射角之和的一半，n为衍射级次, λ为光的波长。在体全息光栅中，只有满足该条件的光才能被有效衍射，实现光的高效耦合、传输与出射 ，这种对光的精确操控能力是其在AR应用中的核心价值。
二、典型体全息光栅结构及AR应用
2.1 传统体全息光栅（VHG）
传统体全息光栅在AR-HUD（抬头显示）中应用广泛，其原理基于光在周期性折射率调制结构中的衍射。在汽车领域，将体全息光栅嵌入风挡玻璃，配合投影系统可实现小体积、大视场角的AR-HUD。例如，某款概念车型采用这种技术，使HUD投影系统体积缩小约40% ，视场角提升至30°以上。其原理在于，体全息光栅具有高衍射效率（可达90%以上），能有效将投影光耦合进风挡并导向驾驶员视野，相较于传统风挡玻璃反射率（15%左右）极大提升了能量利用率；同时，光栅的图像放大功能减少了投影系统中大型曲面反射镜的使用，优化了系统体积，为汽车座舱节省空间，使AR-HUD能更便捷地适配不同车型。在实际驾驶场景中，驾驶员通过AR-HUD能清晰获取车速、导航等信息，这些信息仿佛悬浮在真实道路前方，与现实环境融合，提升驾驶安全性与便捷性。
2.2 偏振体全息光栅（PVG）
东南大学研发的全球首款偏振体全息光波导AR眼镜“云雀”，便是PVG技术的典型应用。PVG通过全息干涉在材料内部形成基于折射率变化的周期性分布，与传统表面浮雕光栅（SRG）技术相比优势显著。从光学性能上看，光效提升至300% ，大幅提升产品续航能力和显示亮度，这意味着在相同电池容量下，AR眼镜能持续工作更长时间，或者在相同功耗下提供更亮的显示效果，满足户外强光环境下的使用需求；前向漏光降低80%，极大提升隐私性和社交友好性，旁人很难窥探到佩戴者看到的内容，避免信息泄露；独特的偏振复用技术在实现大视场范围（可达40°）和出瞳尺寸的同时，保证画面的连续性与均匀性，为用户提供清晰、舒适的视觉体验。在制备工艺上，仅需湿法涂布和全息曝光，无需复杂昂贵的微纳加工技术，成本降低60%，有望推动AR眼镜大规模商业化普及。以教育领域应用为例，学生佩戴“云雀”AR眼镜，在课堂上可以观看立体的历史场景重现、物理化学实验模拟等，沉浸式学习体验感更强，且成本的降低使得学校更有能力大规模配备此类设备。
2.3 啁啾体全息光栅（Chirped VHG）
啁啾体全息光栅的光栅周期沿传播方向渐变，在AR显示中可用于校正像差和色散。在复杂场景的AR展示中，不同颜色光的传播路径易产生偏差导致图像模糊，啁啾体全息光栅通过对不同波长光的衍射角度进行精细调控，补偿像差，确保红、绿、蓝三基色光精准汇聚于人眼视网膜，呈现高清晰度、无重影的彩色AR图像 。在工业设计领域，设计师利用配备啁啾体全息光栅的AR设备，可以更准确地查看3D模型细节，不同材质颜色的显示不会出现错位或模糊，提高设计效率与准确性。此外，在医学手术模拟训练中，医生能借助这种技术清晰分辨不同器官组织的虚拟模型，提升模拟手术的真实感与训练效果。
三、面临挑战与解决方向
尽管体全息光栅在AR应用中优势明显，但也面临挑战。如环境温度变化会使体全息材料热胀冷缩，导致光栅结构变化，影响光学性能，尤其在彩色显示中造成色彩偏差；复杂环境光下，体全息光栅可能产生彩虹纹等杂散光干扰，降低图像对比度和清晰度。针对这些问题，材料科学家们致力于研发热稳定性更高的体全息材料，如新型有机 - 无机杂化材料，通过分子结构设计增强材料的热稳定性；光学工程师则通过优化光栅设计和系统光路，采用多层光栅结构或抗反射涂层等方法来抑制杂散光，多层光栅结构可以对不同角度和波长的杂散光进行多次衍射，使其偏离人眼视线，抗反射涂层则减少光线在光栅表面的反射，降低杂散光产生几率。
四、未来展望
随着技术的不断进步，体全息光栅结构在AR领域将持续拓展应用边界。一方面，在消费级AR设备中，更轻薄、高性能的体全息光栅将助力AR眼镜向日常穿戴设备迈进，融入教育、娱乐、社交等更多生活场景。比如在社交方面，用户通过AR眼镜能实时获取朋友的信息、兴趣爱好展示等，实现全新的社交互动体验；在娱乐方面，AR游戏将更加逼真，玩家仿佛置身游戏世界之中。另一方面，在工业、医疗、军事等专业领域，体全息光栅技术将推动AR辅助设计、远程手术指导、战场态势感知等应用向更高精度、更智能化方向发展。在远程手术指导中，专家通过AR设备可以将手术关键步骤、注意事项等信息精准地呈现给现场医生，提高手术成功率；在战场态势感知中，士兵佩戴AR装备，能实时获取战场地图、敌方位置等信息，提升作战能力与生存几率，为AR技术在各行业的深度融合与创新应用注入强大动力 。
