编译/VR陀螺

罗切斯特大学 (University of Rochester) 的研究人员设计并验证了一种新型光学元件，该元件有望显著提升增强现实 (AR) 眼镜的亮度和图像质量。

“当今许多 AR 头显设备体积庞大、电池续航短，而且显示屏昏暗，难以看清，尤其是在户外，”该研究团队的负责人、罗切斯特大学光学研究所的 Nickolas Vamivakas 教授表示。“通过为显示屏创建一个效率高得多的输入端口，我们的工作可以帮助 AR 眼镜变得更亮、更节能，使其从一个小众设备转变为像普通眼镜一样轻便舒适的产品。”

在《光学材料快报》(Optical Materials Express) 杂志上，研究人员描述了他们如何用一种具有三个专用区域（每个区域均由超表面 (metasurface) 材料制成）的新型输入耦合器 (in-coupler) ——即图像进入镜片的输入端口——来取代传统的单区耦合器，以实现性能的提升。

“我们报告了首个实验证据，证明了这种复杂的多区域设计在现实世界中是行之有效的，”Vamivakas 说。“虽然我们的重点是 AR，但这种高效、角度选择性的光耦合技术也可以用于其他紧凑型光学系统，例如汽车或航空航天的平视显示器，或先进的光学传感器。”

超表面赋能AR光学技术

在 AR 眼镜中，波导输入耦合器将来自微型显示器的图像注入镜片，使虚拟内容与现实世界叠加显示。然而，当今 AR 眼镜中使用的输入耦合器往往会降低图像的亮度和清晰度。

图源：optica（AR波导显示器的工作原理。）

为了克服这些问题，研究人员使用超表面技术创建了一个具有三个专用区域的输入耦合器。超表面是一种超薄材料，其上刻有比人类头发丝小数千倍的精细图案，使其能够以传统透镜无法实现的方式弯曲、聚焦或过滤光线。

“与传统光学元件相比，超表面提供了更大的设计和制造灵活性，”Vamivakas 说。“输入耦合器是光线损失的主要来源，这项改进工作是一个更大项目的一部分，该项目旨在使用超表面来设计整个光波导系统，包括输入端口、输出端口以及引导光线的所有中间光学元件。”

图源：optica（三区耦合器配置的超表面设计：（a）-（c）分别为区域 1-3 的超表面几何形状；（d）-（f）超表面设计（a）-（c）的效率曲线，其中红色曲线表示一级衍射效率随入射角从 -10° 到 10° 的变化，蓝色曲线表示零级反射效率随二次入射角从 41.2° 到 62.5° 的变化，黑色曲线是两种效率之和。）

对于这款新型输入耦合器，研究人员设计的超表面图案能够高效地捕捉入射光，并显著减少光线向外泄漏。该超表面还能保持入射光的形状，这对于维持高图像质量至关重要。

这项研究建立在研究者们早期的理论工作之上，此前的理论表明，多区域输入耦合器能提供最佳的效率和图像质量。Vamivakas 表示，超表面光栅的进步为创建三个精确定制的区域提供了设计灵活性，而最先进的制造方法——包括电子束光刻 (electron-beam lithography) 和原子层沉积 (atomic layer deposition) ——则为构建这种复杂、高深宽比的纳米结构提供了所需的精度。

“这篇论文是第一个弥合了从理想化理论到实用的现实世界组件之间鸿沟的，”Vamivakas 说。“我们还开发了一个优化流程，该流程考虑了诸如材料损耗和非理想效率总和等现实因素，而单独的理论并未考虑到这些。”

三区域性能测试

为了验证这款新型输入耦合器，研究人员使用定制的光学装置，单独制造并测试了三个超表面区域中的每一个。随后，他们使用类似的装置测试了完全组装的三区域设备作为一个完整系统，以测量其在 -10 度到 10 度的整个水平视场角内的总耦合效率。

测量结果显示，在大部分视场角内，实测数据与模拟数据高度一致。视场内的平均实测效率为 30%，与模拟的平均值 31% 非常接近。唯一的例外是在 -10 度的视场角边缘，实测效率为 17%，而模拟值为 25.3%。研究人员将此归因于该设计在该精确角度下的高角度敏感性，以及潜在的轻微制造缺陷。

图源：optica（超表面耦合器耦合效率的测量：（a）测量耦合效率的实验装置；（b）沿 XFOV 测量的耦合效率。）

研究人员目前正致力于将新的超表面设计和优化框架应用于光波导的其他组件，以展示一个完整的、高效的基于超表面的系统。一旦实现，他们计划将设计从单色（绿色）扩展到全彩 (RGB) 操作，然后改进设计以提高制造容差，并最大限度地减少视场角边缘的效率下降。

研究人员指出，要使这项技术具备商业化的实用性，就必须展示一个完全集成的原型，将输入耦合器与真实的微型显示引擎和输出耦合器配对。此外，还必须开发出一种稳健、高通量的制造工艺，以低成本复制这种复杂的纳米结构。

来源：rochester