只聚焦特定波长光线，新型多色超透镜为AR眼镜带来可能

Esther | 编辑

在理想的情况下，全天候AR眼镜外观应该看起来就像是普通眼镜，只是在普通眼镜上加入了AR显示功能。这种设计似乎很简单，但实际开发却很难，因为AR眼镜在光学等方面还有许多问题需要解决，即使是市面上卖的轻量化AR眼镜，也能明显看出与普通眼镜的区别，更像是更加笨重的墨镜。仅解决透光性、体积、与普通镜片集成这些问题，就具有相当大的挑战。而近期，哥伦比亚大学的一组科研人员展示了一种基于多色超表面的AR光学模组，让我们看到了AR实现眼睛形态的可能。

据了解，该方案由哥伦比亚工程和应用科学学院的科研人员研发，全名为“基于多层、多微扰非局部超表面结构的多功能谐振波阵面光学形态”，相关论文已经在Light：Science&Applications期刊上发表。论文中描述了一种平面透镜，外观看起来足够透明，可聚焦选定颜色/波长的光。也就是说，对外部环境有高透光性，而且可以和普通屈光镜片集成，只显示投射在上面的特定AR光线。

AR光学难题

科研人员指出，目前AR眼镜的一个主要问题是，不得不在图像清晰度和透光率之间做权衡。为了增强AR与物理环境光之间的对比度，一些AR眼镜厂商采用透光率较低的光学模组，或是寻找提升显示模组亮度的方案。比如Google Glass就是采用一种半反半透式棱镜的方案，缺点是亮度低，并扭曲了AR和环境光。

而一些采用衍射光栅图案的光波导AR方案，由于光线透过光波导会被光栅结构散射、分散，也存在外部场景变暗、扭曲的问题。尤其是为了处理微型投影模组发射的不同颜色光波而叠加多组光栅时，失真效果更严重。

如果AR图像与外部环境完美融合，才可以更好的满足很多AR应用的需求。比如在可视化导航时，可在物理环境中清楚的叠加AR指示，或是为飞行员、士兵、外科医生提供实时的AR数据，同时还可以清楚的透过周围的环境信息，不干扰使用者进行其他工作，或是在移动过程中看清楚周围环境。

也就是说，AR光学模组不仅要能透过整个光谱的可见光，还需要充当高效透镜，将投影模组的光聚焦在人眼中，形成清晰的AR图像。

基于超表面原理

图注：谐振辐射超透镜的实验结果；最左为超透镜处理不同波长光线的过程，包括聚焦绿色，以及在无失真的情况下透过其他颜色；中间图描绘了在超透镜的纳米硅薄膜上蚀刻的矩形孔径；右图则显示了超透镜中心和边缘的SEM（扫描电子显微镜）成像。

据了解，哥伦比亚大学科研人员研发的超表面光学结构由散射式二维阵列组成，这种二维阵列又被称为光学天线，可看作是一种具有纳米级尺寸的微型无线电天线。超表面的一个关键特征，就是其光学散射体在光学上是不同的，也就是说超表面可散射的光具有不同幅度、相位或偏振，因此可引入根据空间变化的光学响应，控制光的方式非常灵活。

超表面的另一个优势是体积更小，相比之下传统光学方案需要更大的3D光学组件、设备才能聚焦、控制光束或在集成光子芯片上切换光学信号。通常，超表面结构仅支持局部响应，即通过每个超单元独立响应来调整波阵面。相比之下，非局部超表面的特点是有多个超单元集体驱动光学响应。

这项方案采用非局部的超表面结构，这种结构可以特定的方式操控不同波长的光束，目标波长外的光束不受影响。另外，它可以将特定的颜色在不同波长上独立聚焦，在空间和光谱范围控制光束。

科研人员指出，非局部超表面模组可分别作为汇聚透镜和凹透镜，不仅可以将光聚焦在一种颜色上，也可以将光束分散为第二种颜色，而对于目标光谱外的光束则可保持透光，就像是一块没有团的玻璃板。通过仔细选择初始光子晶体（PhC）的几何形状，光学模组可实现对波长的选择性，并根据所选颜色去雕刻波阵面。

根据作者描述，这是目前为止，支持最多波长（4个不同波长）的多功能、最多色的超透镜。

新型AR透镜

据悉，该AR透镜的波阵面基于超表面结构，具有可聚焦特定波长的波阵面，因此可控制光在自由空间和光波导中的传播。

由于该方案的平面特性，可采取玻璃材质。另外，该方案仅聚焦部分窄频色彩，而光谱中的其他大多数频段的色彩将直接透过。也就是说，可以显示比较纯粹的RGB AR图像，同时又能比较清晰的透过周围环境光。

科研人员指出，这个光学模组外观看起来完全透明，就像是一块简单的玻璃，直到你用具备正确波长的光束照射它，它就会变成一块透镜，聚焦特定的色彩。

总之，波长可选择、波阵面可塑的非局部超表面是一个有前景的AR解决方案，可应用于多种场景，比如车载AR HUD、AR眼镜等等。这种多色超表面镜片的厚度比头发丝还细，可以和轻量化的AR眼镜很好的结合。

参考：

原文始发于微信公众号（青亭网）：只聚焦特定波长光线，新型多色超透镜为AR眼镜带来可能