新的光学元件使AR/VR眼镜没有“虫眼”效应

Metaform是一种新的光学元件，可以与自由形式光学结合，以实现紧凑的AR/VR耳机和眼镜。（图片：University of Rochester illustration/Michael Osadciw）

研究人员将自由曲面光学和超表面技术相结合，制造出高质量的AR/VR眼镜，既小巧又易于佩戴。

对于具有紧凑形状因子的高分辨率光学系统的需求，如增强/虚拟现实（AR/VR）显示器、传感器和移动摄像机，需要创建新的光学组件架构¹。

来自美国的研究人员 University of Rochester大学的光学研究所 开发了一种新技术 这有助于实现紧凑型 AR/VR佩戴方便。这样的属性受到消费者的追捧，研究人员的技术使得光学技术的发展能够提供高质量的图像，同时避免了制造出“虫眼”外观的眼镜。

相关工作报道在《Science Advances》中，研究人员的论文

报告他们在科学方面的工作 研究人员的论文 描述压印自由形式 纳米光子晶体光学 光学元件称为 亚表面。

超表面是 一片真正的银色森林， 薄膜上的纳米结构 金属膜 向自由形式前进 光学系统的形状-实现 一种新型光学元件 研究人员称之为“元形式”。

相关工作报道在《Science Advances》中，研究人员的论文描述了用一种称为超表面的纳米光子光学元件压印自由形式的光学元件。超表面是一个由微小的、银的、纳米级结构组成的名副其实的森林，位于一个金属薄膜上，在这一进展中，它符合光学的自由形状——实现了一种新的光学元件，研究人员称之为“超表面”。

这种元模型能够违抗传统的反射定律，将从各个方向进入AR/VR目镜的可见光聚集起来，并将其直接重定向到人眼中。

论文作者之一、量子光学和量子物理学教授Nick Vamivakas将这种纳米结构比作小型无线电天线当我们启动设备并用合适的波长照亮它时，所有这些天线都开始振荡，发出一种新的光，将我们想要的图像传送到下游

该论文的另一位作者、光学工程教授、该大学自由曲面光学中心主任Jannick Rolland补充说，超曲面也被称为“平板光学”，因此在自由曲面光学上书写超曲面是创造一种全新类型的光学元件。这种光学元件可以应用于任何镜子或镜头，因此我们已经在其他类型的元件上找到了应用，比如传感器和移动相机。

为什么自由曲面光学还不够？

研究人员称，这项技术的首次演示需要多年才能完成。当然，我们的目标是将进入AR/VR眼镜的可见光引导到眼睛上，新设备使用自由空间光学组合器来帮助实现这一点。然而，当组合器是围绕头部弯曲以符合眼镜格式的自由曲面光学器件的一部分时，并非所有的光都指向眼睛。因此，单靠自由曲面光学无法解决这一具体挑战。

这就是为什么研究人员必须利用一个超表面来构建一个新的光学元件。

制造挑战

另一个障碍是从宏观尺度过渡到纳米尺度。实际的聚焦装置直径约为2.5毫米，但即使如此，也比自由形式光学元件上压印的最小纳米结构大1万倍。

Nikolov说，从设计的角度来看，这意味着改变自由曲面透镜的形状，将纳米结构分布在透镜上，使两者协同工作，这样就得到了光学性能良好的光学器件。

这就需要找到一种方法来避免在光学设计软件中无法直接指定亚表面。事实上，不同的程序被用来实现一个集成的metaform设备。

Nikolov说，制作是令人望而生畏的，它需要使用电子束光刻技术，即用电子束切割需要沉积银纳米结构的薄膜超表面部分。用电子束在弯曲的自由曲面上书写是不典型的，需要开发制造工艺。

研究人员使用了密歇根大学卢里纳米制造厂的JEOL电子束光刻机。为了在弯曲的自由曲面光学元件上书写超曲面，他们首先使用激光探针测量系统创建了自由曲面的三维地图。然后将3D地图编程到JEOL中，以指定每个纳米结构需要在多高的位置进行制造。

Nikolov说：“我们正在推进这台机器的功能”。

经过多次的工艺迭代，制造成功。

“这是梦想成真，” Rolland说这需要团队合作，每一项贡献都对项目的成功至关重要

参考文献