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超表面技術(shù)有望提升AR圖像清晰度與亮度

（中國(guó)AI網(wǎng) 2025年11月12日）根據(jù)羅切斯特大學(xué)新聞中心，羅切斯特大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并展示了一種新型光學(xué)元件，可以顯著提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的亮度和圖像質(zhì)量。這一進(jìn)展使AR眼鏡向變得像當(dāng)今智能手機(jī)一樣普及和實(shí)用又邁進(jìn)了一步。

研究人員指出：”當(dāng)今許多AR頭戴設(shè)備笨重，電池續(xù)航時(shí)間短，顯示器暗淡且在戶外尤其難以看清。通過(guò)為顯示器創(chuàng)建一個(gè)效率高得多的輸入端口，我們的研究有助于使AR眼鏡更明亮、更節(jié)能，使其從一個(gè)小眾設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橄衿胀ㄑ坨R一樣輕便舒適的產(chǎn)品。”

團(tuán)隊(duì)描述了他們?nèi)绾斡镁哂腥齻€(gè)特殊功能區(qū)域（每個(gè)區(qū)域均由超表面材料制成）的耦入器（圖像進(jìn)入眼鏡的輸入端口）取代了單一波導(dǎo)耦入器，從而實(shí)現(xiàn)了性能提升。

超表面驅(qū)動(dòng)的AR

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中，波導(dǎo)耦入器將圖像從微型顯示器注入鏡片，從而使虛擬內(nèi)容疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上。然而，當(dāng)今AR眼鏡中使用的耦入器往往會(huì)降低圖像亮度和清晰度。

為了克服這些問(wèn)題，研究人員使用超表面技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)具有三個(gè)特殊功能區(qū)域的耦入器。超表面是超薄材料，其圖案特征比人類頭發(fā)細(xì)數(shù)千倍，這使得它們能夠以傳統(tǒng)透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式彎曲、聚焦或過(guò)濾光。

團(tuán)隊(duì)指出：”超表面比傳統(tǒng)光學(xué)元件提供更大的設(shè)計(jì)和制造靈活。這項(xiàng)改進(jìn)耦入器（光損耗的主要來(lái)源之一）的工作，是一個(gè)更大項(xiàng)目的一部分，目標(biāo)是利用超表面設(shè)計(jì)整個(gè)波導(dǎo)系統(tǒng)，包括輸入端口、輸出端口以及引導(dǎo)光在其間傳播的所有光學(xué)元件。”

對(duì)于新的耦入器，研究人員設(shè)計(jì)了超表面圖案，使其能夠有效捕獲入射光，并大幅減少光回漏的量。超表面還能保持入射光的形狀，這對(duì)于維持高圖像質(zhì)量至關(guān)重要。

這項(xiàng)研究建立在研究人員早先的理論工作基礎(chǔ)之上，亦即多區(qū)耦入器能提供最佳的效率和圖像質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)表示，超表面光柵的進(jìn)步使得設(shè)計(jì)具有足夠的靈活性來(lái)創(chuàng)建三個(gè)精確定制的區(qū)域，同時(shí)，最先進(jìn)的制造方法——包括電子束光刻和原子層沉積——為構(gòu)建復(fù)雜的高深寬比納米結(jié)構(gòu)提供了所需的精度。

三區(qū)性能測(cè)試

為了演示新的耦入器，研究人員使用定制搭建的光學(xué)裝置，分別制造并測(cè)試了三個(gè)超表面區(qū)域中的每一個(gè)。然后，他們使用類似的裝置測(cè)試了完全組裝好的三區(qū)器件作為一個(gè)完整系統(tǒng)的性能，以測(cè)量在從-10度到10度的整個(gè)水平視場(chǎng)內(nèi)的總耦合效率。

測(cè)量結(jié)果顯示，在大部分視場(chǎng)內(nèi)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果高度吻合。整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)測(cè)得的平均效率為30%，與模擬的平均效率31%非常接近。唯一的例外是在視場(chǎng)的最邊緣，即-10度處，測(cè)得的效率為17%，而模擬值為25.3%。研究人員將此歸因于設(shè)計(jì)在該特定角度下的高角度敏感性以及可能存在的微小制造缺陷。

研究人員目前正致力于將新的超表面設(shè)計(jì)和優(yōu)化框架應(yīng)用于波導(dǎo)的其他組件，以演示一個(gè)完整的、基于超表面的高效率系統(tǒng)。一旦完成這項(xiàng)工作，他們計(jì)劃將設(shè)計(jì)從單色（綠色）擴(kuò)展到全彩（RGB）操作，然后進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，以提高制造容差并最小化視場(chǎng)邊緣的效率下降。

相關(guān)論文：Design and experimental validation of a high-efficiency multi-zone metasurface waveguide in-coupler

https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-15-12-3129

研究人員指出，要使這項(xiàng)技術(shù)足夠?qū)嵱靡赃M(jìn)行商業(yè)化，有必要演示一個(gè)完全集成的原型，該原型需將耦入器與真實(shí)的微型顯示引擎和耦出器配對(duì)。另外，必須開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)健、高產(chǎn)量的制造工藝，以低成本復(fù)制復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。