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制造AR和VR眼镜的新点子

2021-07-13 13:51 中国航空报 CAN译讯 专栏

在价值200亿美元的AR/VR眼镜市场里,“图像”就是王道。消费者需要看到集成度高、佩戴方便并能够提供高质量图像的产品,而不是问题缠身的产品。

罗切斯特大学光学研究所的研究人员开发出一种新技术,能够最大限度地满足上述要求。在他们发表于《科学·进展》的论文中,介绍了一种印有纳米光子光学元件(即“metasurface(下称MS)”)的光学自由曲面。

MS好比是在金属薄膜表面用纳米级的银颗粒构建的一片森林,因此,它能够完美贴合光学自由曲面,并形成一种被研究人员称作metaform下称MF,的新型光学元件。MF能够无视传统反射定律,汇集来自AR/VR镜片周围各个方向的可见光,并将它们直接导向眼睛。

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。“当我们打开设备并用特定波长的光线照射它的时候,这些小型天线开始振动,发射出一束携带图像信息的新光线,并向下游传输。”自由曲面光学中心主任Jannick Rolland介绍称:“MS又被称作‘平面光学’,所以将MS印在光学自由曲面上是一项新的开创性工作。”Rolland补充道,“这种光学元件能够在任意(形状)的平面镜和透镜上使用,我们已经想到了更多的应用方向。”比如传感器和运动相机。

自由曲面光学的缺陷

距MF正式面世还需要很多年。研究人员的目标是将进入AR/VR眼镜的可见光导向眼睛。新设备使用了一种自由空间光学组件;然而,当这种组件被整合进眼镜,作为包头式光学自由曲面的一部分时,便会漏掉部分导向眼睛的光线。单靠光学自由曲面无法解决这一问题。

正因为此,研究人员不得不利用MS去开发一种新型光学元件。Rolland研究小组的一名光学工程师、论文第一作者Daniel Nikolov表示,“将光学自由曲面和MS结合在一起,理解二者与光线的相互作用,并最终获得高质量图像是一项严峻的挑战。”

制成工艺挑战

Rolland提到,另一大难题是“加工工艺从微米尺度到纳米尺度”的跨越。实际对焦设备的直径大约2.5毫米,比印在光学自由曲面上纳米结构的最小尺寸大10000倍。

Nikolov说:“站在设计的角度,这意味着改变自由曲面透镜的形状,通过某种方式将纳米结构分布在透镜表面,并保证二者能够协同工作,最终得到光学性能优异的设备。”这就需要Rolland团队中的光学工程师Aaron Bauer找到一种方法,能够克服无法在光学设计软件中直接使用MS的难题。事实上,在制造集成MF设备的过程中用到了许多种软件。

Nikolov坦言加工过程很艰难。其中需要用到电子束曝光技术,即使用电子束切掉薄膜MS的一部分来沉积纳米银结构。使用电子束在自由曲面表面雕刻并不常见,需要设计新的加工工艺。研究人员使用了密歇根州立大学Lurie纳米制造工厂的JEOL电子束曝光设备。为了在光学自由曲面表面印刷MS,他们首先用一套激光传感测量系统构建了自由曲面表面的3维结构图。随后,将3维结构图导入到JEOL中,并指定纳米结构的具体印刷高度。

Nikolov说:“我们还在进一步改进设备。”Vamivakas研究团队的博士后助理Fei Cheng,来自日本的JEOL代表Hitoshi Kato,以及密歇根州立大学纳米制造实验室的职工都与Nikolov 一起,致力于“在经历数次工艺的迭代后”成功制造出产品。Rolland认为:“这是使梦想成真的过程,需要团队中的每位成员都为之努力并密切协作。”

自由曲面光学是什么?

自由曲面光学是一项新技术,它使用在光学直径内/外没有对称轴的透镜和反射镜来制造更轻、集成度更高且更高效的光学设备。其应用场景包括3维成像和可视化、增强现实和虚拟现实、红外和军用光学系统、高效车用LED光源、能源研究、远距离传感、半导体制造和验伤以及医疗辅助技术。由曲面光学中心的Rolland,Bauer及合作者在不久前发表于《光学》的一篇综述文章中讨论了这一技术,包括无旋成轴透镜的早期发展,光学自由曲面的设计、制造、测试和组装,基础理论及展望。 

责任编辑:实习编辑