用3D打印及硅油介质开发低成本AR液体波导，透光率超77％支持量产
简化了生产过程
（映维网Nweon 2025年03月06日）制造技术的复杂性和对高精度的要求对增强现实波导合成器的大规模生产提出了重大挑战。利用Polyjet 3D打印技术的能力，墨尔本大学和KDH Design团队开发了一种高成本效益的方法来制造使用硅油作为介质的AR液体几何波导组合器。
在设计阶段，团队优化了波导合成器的结构以方便制造。通过消除传统制造技术中通常涉及的切割、层粘合和抛光等复杂步骤，所提出的方法简化了生产过程。他们进行了光学模拟，并使用专利制造方法开发了一个原型，从而证实了其可行性和成本效益的大规模生产潜力。
迄今为止，AR技术已经在导航、工程、军事、游戏和教育等各个领域展示了巨大的应用潜力，而光学透明近眼显示器（NED）作为核心元素之一脱颖而出。NED通常由两个基本组件组成：生成和显示虚拟内容的光引擎，以及将投影图像与用户的物理环境合并的光学组合器。
为AR系统设计一个有效的光引擎需要考虑图像亮度、小型化、功耗、散热和分辨率等关键因素。为了满足相关需求，业界已经开发出各种微光引擎技术。相比之下，光波导的设计和制造是一个错综复杂的过程，给工程师和研究人员带来了巨大的挑战。
例如，几何波导制造是一个复杂的过程，涉及多个细节步骤。它通常从在玻璃基板沉积反射材料开始，然后用粘合剂将涂层基板堆叠起来，形成分层结构。接下来，将堆叠切片到所需的厚度，抛光以获得光滑的表面，并切割成所需的形状。
尽管制造工艺复杂，但这种结构具有数个优点，包括大视场、高光学效率和无色散。所以在一项研究中，墨尔本大学和KDH Design团队首先设计和优化了一个几何波导，重点研究了制造可行性。
随后，利用我专利制造工艺，他们成功地使用硅油和3D打印波导框架制造了具有成本效益的液体波导。团队表示，所提出的方法有可能通过消除对复杂加工过程的需要来简化波导制造过程。这种简化可以缩短交货时间，提高成本效益，使大规模生产更加可行。
使用液体材料作为AR波导提供了诸多优点。液体在宽波段的高光学清晰度最大限度地减少了散射损失，提高了整体性能。与固体材料不同，液体可以符合波导的形状，而不会施加额外的应力或引起扭曲。
利用液体作为介质，这可以消除传统几何波导制造中在层粘合过程中经常遇到的反射器弯曲问题。另外，液体波导提供了自修复微小表面缺陷的优势，提高了光学系统的耐用性和可靠性。
在制作过程中，介质带通滤波器用作反射器。团队通过使用Cytoviva高光谱显微镜在可见光光谱测量两个角度的透射比来评估反射器的性能。结果表明，将反射器集成到设计中不会显著损害系统的整体色彩保真度。
随后，他们测量了反射器的表面粗糙度，其中均方根粗糙度（Rq）为1.4 nm，平均粗糙度（Ra）为1.09 nm。使用的覆盖玻璃片厚度为0.1 mm，折射率为1.46。在400nm至700nm波长范围内，在0度角处，它保持了约93%的一致透光率。表面粗糙度分析显示，其均方根粗糙度（Rq）为1.3 nm，平均粗糙度（Ra）为1.13 nm，确保了最小的光散射和最佳的光学性能。
为了评估所提出的设计的性能，研究人员利用相关制造方法构建了一个波导原型。波导非常轻，仅重5.4克，整体原型成本约为18美元。然而，大规模生产可以显著降低成本。在可见光波长范围内，波导的透光比曲线始终保持在77%以上，并且在近距离和远距离观察条件下都表现出出色的透明度。
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在本研究中，团队采用PolyJet 3D打印技术，以硅油为波导介质，开发了一种具有成本效益的AR液体光波导。受几何AR波导设计的启发，团队优化了波导结构，简化了制造过程，实现了更高效、更可行的生产方法。这种优化消除了传统制造方法中通常需要的切割、层粘合和抛光等复杂而耗时的工序。
团队表示，所述制造方法在大规模生产应用中显示出巨大的适应潜力，而且这种创新的波导可以有效地将虚拟图像与现实环境相结合，证明了其可行性和成本效益大规模生产的潜力。
