超表面技术有望提升AR图像清晰度与亮度

研究人员设计并展示了一种新型光学元件，可显著提升增强现实（AR）眼镜的亮度与图像质量。这一进展使AR眼镜向像当今智能手机一样普及实用的目标迈进一步。

罗切斯特大学研究团队负责人Nick Vamivakas指出：“目前多数AR头显设备笨重、续航短，且显示屏昏暗难辨，户外使用时尤其明显。通过为显示系统创建更高效的输入端口，我们的工作有望让AR眼镜更明亮、更节能，使其从小众设备转变为像普通眼镜一样轻便舒适的产品。”

在《光学材料快报》期刊发表的论文中，研究团队详述了如何用三区超表面结构替代传统的单波导输入耦合器（图像传入镜片的输入端），以实现性能提升。Vamivakas表示：“我们首次通过实验验证了这种复杂多区设计在现实中的可行性。尽管聚焦AR领域，这项高效角度选择性光耦合技术也可应用于其他紧凑光学系统，如汽车或航空领域的平视显示器，以及先进光学传感器。”

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增强现实波导显示的工作原理

超表面驱动的AR技术

AR眼镜中，波导输入耦合器将微显示屏的图像注入镜片，使虚拟内容叠加于现实场景。但现有输入耦合器会降低图像亮度与清晰度。为解决该问题，研究团队利用超表面技术打造了具备三个功能区的输入耦合器。超表面是一种超薄材料，其结构特征尺寸仅为头发丝的千分之一，能以传统透镜无法实现的方式偏折、聚焦或过滤光线。

Vamivakas解释说：“超表面相比传统光学元件具有更高的设计与制造灵活性。输入耦合器是光损耗的主要来源，此项改进是更大项目的一部分——我们旨在用超表面设计整个波导系统，包括输入端口、输出端口及光路传导结构。”

在新设计中，研究人员通过超表面图案高效捕获入射光并大幅抑制回漏，同时保持光线原始形态，这对维持高图像质量至关重要。该研究基于团队早前的理论成果，当时已证明多区输入耦合器能实现最佳效率与画质。Vamivakas指出，超表面光栅技术的进步使三区精密设计成为可能，而电子束光刻、原子层沉积等尖端制造工艺则确保了复杂高深宽比纳米结构的精确加工。

他补充道：“本研究首次将理想化理论转化为实用组件，我们还开发了优化流程，以应对材料损耗、非理想效率总和等现实因素，这是纯理论未涵盖的。”

三区性能测试

为验证新设计，团队通过定制光学装置分别测试三个超表面功能区，随后集成完整三区系统，测量-10°至10°水平视场内的总耦合效率。结果显示，实测效率与仿真数据在大部分视场内高度吻合：实测平均效率为30%，仿真均值为31%。仅在-10°视场边缘出现偏差（实测17% vs. 仿真25.3%），研究团队归因于该角度的高灵敏度及微制造瑕疵。

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LightTools 对三区中曲面耦合器的评估

目前，研究人员正将超表面设计与优化框架扩展至波导其他组件，以构建完整的高效超表面系统。后续计划将单色（绿光）设计升级为全彩（RGB）系统，并优化结构以提高制造容差、减少视场边缘的效率衰减。

研究者强调，要实现技术商业化，需开发集成输入耦合器、微显示引擎与输出耦合器的完整原型，并建立低成本、高可靠的大规模制造工艺以复现复杂纳米结构。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/ome.576634