头戴式AR/MR设备和智能眼镜示例。左上角顺时针方向：微软的HoloLens 2（图片©微软）、Vuzix的新一代智能眼镜（图片© Vuzix）、小米的智能眼镜（图片：来源）以及联想的ThinkReality A3智能眼镜（图片©联想）。
AR、MR（合并或混合现实）设备和智能眼镜在企业应用领域的销量一直很好。举例来说，头戴设备在制造、培训、医疗、军事用途等应用领域的普及率很高。但到目前为止，消费者们对这类设备的反应并不积极。事实上，70%的美国消费者1不确定增强现实是什么（即使他们可能在移动设备上出于娱乐目的使用过AR/MR照片滤镜或者玩过Pokémon Go游戏）。很显然，AR/MR行业未来还需要开展一些消费者教育和营销工作。另一个障碍则是市场上目前仍未出现可以实现产品突破的“杀手级应用”。
AR/MR设备在消费者中间普及速度缓慢的另一个因素在于设备本身。“许多技术问题阻碍了AR/VR设备的广泛使用，尤其是光学架构引起的瓶颈。举例来说，当前头戴式AR设备的外形尺寸受限于笨重的折射光学元件以及目镜与显示器之间的距离。另一个问题是，折射透镜可能引起色差，致使成像质量不佳，并导致不同颜色的显示图像以不同的放大倍率出现。此外，复杂的光学系统（比如：投影复合透镜）在光引擎中也很常见。”2
最近的发展趋势终于为解决这些挑战指明了方向。现在，先进的波导技术、微型显示器和超透镜为制造商们开发尺寸更小、重量更轻的AR/MR智能眼镜和头戴式设备提供了潜力，这将吸引普通消费者用户。在这篇博客文章中，我们将探讨新兴的超透镜纳米技术。
超透镜是由可以聚焦和散射光线的纳米级超表面层制成的平面透镜技术。超表面由排列成不同阵型的微小柱子（也称为触角或纳米鳍）组成。这些3D纳米结构的特殊排列改变了入射光波的偏振、强度、相位和方向。光波可以通过超表面结构聚焦成几乎任何形式。超透镜比传统的玻璃透镜薄得多，这为制造比以往尺寸更小、重量更轻的广泛光学设备开辟了许多新的可能性。
示意图：超透镜如何折射光线。（图片来源：Giuseppe Strangi和Federico Capasso）
各种超透镜纳米结构图形示例。（图片来源）
虽然超透镜具有优势，但其光学效率低于传统透镜，人眼将会观察到亮度、对比度和清晰度降低。更不用说，在如此小的组件上放置纳米级结构将会多么困难。此外，如果超透镜制造不精确，将会导致色差和波像差。人眼将会观察到强度分布不佳、颜色不均匀和透明度低。为了成功地将用于XR显示器的超透镜商业化，制造商们必须精心设计设备，并执行严格的测试。
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斜边对比度。用于测量斜边的黑色区域与白色区域之间的比率。 -
线对法。用于测量间隔紧密的垂直线与水平线之间的相似值。 -
直接测量线扩展函数（LSF）。
用于AR设备的透视超透镜的测量结果样本，显示了不同波长光线的强度和MTF值。（图片来源：Nature.com）
上面的数据样本显示了不同波长光线的强度和MTF值如何受到超透镜特性的影响。下面的图表显示红色波长的光线具有最低的MTF值。这意味着红色虚拟图像将会不太清晰。通过使用可量化的数据分析MTF，可帮助指导开发人员改进设备设计。瑞淀提供XR设备视觉检测工具库，其中专门开发了独特的MTF分析工具，用于表征AR/MR显示器所产生光线的质量，并提供精确的数据点，以了解超透镜特性对视觉元素的影响。
MTF测量图示表明，红色图像将会不太清晰，而蓝色图像将会最清晰。
瑞淀的新型XRE镜头提供灵活的解决方案，用于测量XR光学元件的完整生态系统（包括超透镜）以及XR设备的各种光学配置。瑞淀正在申请专利的该镜头设计整合了独特的内部对焦机制和电子控制功能，可立即将所连接的成像系统的焦点调整到多个焦平面。将XRE镜头与ProMetric®成像色度计或亮度计以及TrueTest™软件中的TT-ARVR™模块搭配使用，可用于测量各种XR设备中内置显示器的视觉性能。
瑞淀的XRE镜头解决方案，其中，折叠配置可与ProMetric I成像色度计（后）搭配使用，非折叠配置与 ProMetric Y成像亮度计（前）搭配使用。
瑞淀的XR设备测量解决方案套件包括ProMetric®成像亮度计和色度计、TrueTest™软件、显微镜头、NIR近红外光辐射强度测量镜头结合TT-NIRI™软件、以及AR/VR镜头或XRE镜头结合TT-ARVR™软件。
引用文献
1. "Key Augmented Reality (AR) Statistics You Should Know", Finances Online. Sources: IB Times, GearBrain, Inception, BPC Consulting. (Accessed July 7, 2022)
2. Z. Li et al., "A Metalens-Based Virtual Reality (VR) / Augmented Reality (AR) System", 2020 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), 2020, pp. 1-2, IEEE Xplore.
3. B. Lee, et al. "Metasurface for imaging and AR/VR devices", Proc. SPIE 12019, AI and Optical Data Sciences III, 1201906, March 2022. DOI: 10.1117/12.2610400
4. Ibid.
5. Ibid.
6. Z. Li et al., “Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality,”Science Advances, Vol 7(5), Janu 27, 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abe4458
7. Ibid.
8. L Burrows, “A metalens for virtual and augmented reality”, Harvard University John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences, News & Events. January 27, 2021.
原文始发于微信公众号（瑞淀光学系统）：AR/MR设备光学元件的未来：超透镜
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