只聚焦特定波長光線 新型多色超透鏡為AR眼鏡帶來可能

　　在理想的情況下，全天候AR眼鏡外觀應(yīng)該看起來就像是普通眼鏡，只是在普通眼鏡上加入了AR顯示功能。這種設(shè)計(jì)似乎很簡單，但實(shí)際開發(fā)卻很難，因?yàn)锳R眼鏡在光學(xué)等方面還有許多問題需要解決，即使是市面上賣的輕量化AR眼鏡，也能明顯看出與普通眼鏡的區(qū)別，更像是更加笨重的墨鏡。僅解決透光性、體積、與普通鏡片集成這些問題，就具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。而近期，哥倫比亞大學(xué)的一組科研人員展示了一種基于多色超表面的AR光學(xué)模組，讓我們看到了AR實(shí)現(xiàn)眼睛形態(tài)的可能。

　　據(jù)了解，該方案由哥倫比亞工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的科研人員研發(fā)，全名為“基于多層、多微擾非局部超表面結(jié)構(gòu)的多功能諧振波陣面光學(xué)形態(tài)”，相關(guān)論文已經(jīng)在Light：Science&Applications期刊上發(fā)表。論文中描述了一種平面透鏡，外觀看起來足夠透明，可聚焦選定顏色/波長的光。也就是說，對(duì)外部環(huán)境有高透光性，而且可以和普通屈光鏡片集成，只顯示投射在上面的特定AR光線。

　　AR光學(xué)難題

　　科研人員指出，目前AR眼鏡的一個(gè)主要問題是，不得不在圖像清晰度和透光率之間做權(quán)衡。為了增強(qiáng)AR與物理環(huán)境光之間的對(duì)比度，一些AR眼鏡廠商采用透光率較低的光學(xué)模組，或是尋找提升顯示模組亮度的方案。比如Google Glass就是采用一種半反半透式棱鏡的方案，缺點(diǎn)是亮度低，并扭曲了AR和環(huán)境光。

　　而一些采用衍射光柵圖案的光波導(dǎo)AR方案，由于光線透過光波導(dǎo)會(huì)被光柵結(jié)構(gòu)散射、分散，也存在外部場景變暗、扭曲的問題。尤其是為了處理微型投影模組發(fā)射的不同顏色光波而疊加多組光柵時(shí)，失真效果更嚴(yán)重。

　　如果AR圖像與外部環(huán)境完美融合，才可以更好的滿足很多AR應(yīng)用的需求。比如在可視化導(dǎo)航時(shí)，可在物理環(huán)境中清楚的疊加AR指示，或是為飛行員、士兵、外科醫(yī)生提供實(shí)時(shí)的AR數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以清楚的透過周圍的環(huán)境信息，不干擾使用者進(jìn)行其他工作，或是在移動(dòng)過程中看清楚周圍環(huán)境。

　　也就是說，AR光學(xué)模組不僅要能透過整個(gè)光譜的可見光，還需要充當(dāng)高效透鏡，將投影模組的光聚焦在人眼中，形成清晰的AR圖像。

　　基于超表面原理

　　圖注：諧振輻射超透鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;最左為超透鏡處理不同波長光線的過程，包括聚焦綠色，以及在無失真的情況下透過其他顏色;中間圖描繪了在超透鏡的納米硅薄膜上蝕刻的矩形孔徑;右圖則顯示了超透鏡中心和邊緣的SEM(掃描電子顯微鏡)成像。

　　據(jù)了解，哥倫比亞大學(xué)科研人員研發(fā)的超表面光學(xué)結(jié)構(gòu)由散射式二維陣列組成，這種二維陣列又被稱為光學(xué)天線，可看作是一種具有納米級(jí)尺寸的微型無線電天線。超表面的一個(gè)關(guān)鍵特征，就是其光學(xué)散射體在光學(xué)上是不同的，也就是說超表面可散射的光具有不同幅度、相位或偏振，因此可引入根據(jù)空間變化的光學(xué)響應(yīng)，控制光的方式非常靈活。

　　超表面的另一個(gè)優(yōu)勢是體積更小，相比之下傳統(tǒng)光學(xué)方案需要更大的3D光學(xué)組件、設(shè)備才能聚焦、控制光束或在集成光子芯片上切換光學(xué)信號(hào)。通常，超表面結(jié)構(gòu)僅支持局部響應(yīng)，即通過每個(gè)超單元獨(dú)立響應(yīng)來調(diào)整波陣面。相比之下，非局部超表面的特點(diǎn)是有多個(gè)超單元集體驅(qū)動(dòng)光學(xué)響應(yīng)。

　　這項(xiàng)方案采用非局部的超表面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以特定的方式操控不同波長的光束，目標(biāo)波長外的光束不受影響。另外，它可以將特定的顏色在不同波長上獨(dú)立聚焦，在空間和光譜范圍控制光束。

　　科研人員指出，非局部超表面模組可分別作為匯聚透鏡和凹透鏡，不僅可以將光聚焦在一種顏色上，也可以將光束分散為第二種顏色，而對(duì)于目標(biāo)光譜外的光束則可保持透光，就像是一塊沒有團(tuán)的玻璃板。通過仔細(xì)選擇初始光子晶體(PhC)的幾何形狀，光學(xué)模組可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的選擇性，并根據(jù)所選顏色去雕刻波陣面。

　　根據(jù)作者描述，這是目前為止，支持最多波長(4個(gè)不同波長)的多功能、最多色的超透鏡。

　　新型AR透鏡

　　據(jù)悉，該AR透鏡的波陣面基于超表面結(jié)構(gòu)，具有可聚焦特定波長的波陣面，因此可控制光在自由空間和光波導(dǎo)中的傳播。

　　由于該方案的平面特性，可采取玻璃材質(zhì)。另外，該方案僅聚焦部分窄頻色彩，而光譜中的其他大多數(shù)頻段的色彩將直接透過。也就是說，可以顯示比較純粹的RGB AR圖像，同時(shí)又能比較清晰的透過周圍環(huán)境光。

　　科研人員指出，這個(gè)光學(xué)模組外觀看起來完全透明，就像是一塊簡單的玻璃，直到你用具備正確波長的光束照射它，它就會(huì)變成一塊透鏡，聚焦特定的色彩。

　　總之，波長可選擇、波陣面可塑的非局部超表面是一個(gè)有前景的AR解決方案，可應(yīng)用于多種場景，比如車載AR HUD、AR眼鏡等等。這種多色超表面鏡片的厚度比頭發(fā)絲還細(xì)，可以和輕量化的AR眼鏡很好的結(jié)合。參考：Columbia University