自由曲面光学和超表面创建紧凑型AR/VR眼镜

罗切斯特大学（University of Rochester）光学研究所（Institute of Optics）的一个团队将自由曲面光学与超表面相结合，结合光学技术，为AR/VR眼镜的新的制造工艺绘制作了完整的流程图。超表面是位于薄金属薄膜上一种银色纳米尺度结构，它均匀分布在光学自由曲面的表面，这使得研究人员能够开发出一种光学元件，他们称之为"超曲面"。超曲面不遵从了传统的反射定律，它收集从各个方向进入AR/VR目镜的可见光，并将其直接定向到人眼。

"超表面也被称为'平面光学'，所以在自由曲面光学上形成超表面是在创造一种全新的光学组件类型，"布赖恩?汤普森光学工程教授（Brian J. Thompson Professor of Optical Engineering）、自由曲面光学中心（Center for Freeform Optics）主任Jannick Rolland说。 "这种光学元件可以应用于任何镜面或镜片，所以我们已经在其它类型的组件中找到了其应用，"Rolland 说。这些组件包括传感器和移动像机。新器件使用自由空间光学组合器将进入AR/VR眼镜的可见光引导到眼睛。然而，当组合器件是自由曲面光学的一部分，其曲面环绕头部，以适应眼镜前部，而不是所有的光都指向眼睛。研究人员报告说，他们花了很多年的努力工作也没有实现这项功能，直到他们利用超表面来制造出一种新的光学组件才得以实现并成功完成第一次演示。"集成这两种技术，自由曲面和超表面，了解它们如何与光相互作用，并利用这两种技术获得良好的图像是一个重大的挑战，" Daniel Nikolov说，他是Rolland研究小组的光学工程师，也是描述这项工作相关论文的主要作者。

罗切斯特的研究人员说，超曲面是一种新的光学元件，它可以与自由曲面的光学元件相结合，创造下一代AR/VR耳机和眼镜。罗切斯特大学/ Michael Osadciw供图。

罗兰说，另一个难题是从宏观尺度过渡到纳米尺度：实际对焦器件宽约 2.5 毫米。该测量值比自由曲面光学上最小纳米结构大10000倍。Nikolov 说："从设计的角度来看，这意味着改变自由曲面镜头的形状，并以两者协同工作的方式在镜头上分布纳米结构，因此可获得具有良好光学性能的光学器件。Rolland 团队中的一位光学工程师最终通过使用不同的软件程序实现集成元器件从而解决了这个瓶颈，即无法直接指定光学设计软件中的超表面。制造工艺是另一个挑战。研究小组使用电子束光刻技术，其中电子束去除了薄膜超表面的部分，这部分需要沉积的银纳米结构。在弯曲的自由曲面上用电子束曝光是不寻常的，它迫使研发团队开发新的制造工艺。研究人员在密歇根大学的Robert H. Lurie纳米制造中心使用了JEOL电子束光刻（EBL）设备。为了将超表面写在弯曲的自由曲面上，他们首先使用激光探针测量系统绘制了自由曲面的 3D 地图。然后，3D地图被编译到 JEOL 机器中，以指定每个纳米结构需要制造的高度。

这项研究部分得到了link Foundation对Nikolov的资金支持以及来自罗切斯特大学新兴和创新科学中心（Center for Emerging and Innovative Sciences）的资助。这项研究发表在《Science Advances》(www.doi.org/10.1126/sciadv.abe5112).