超表面技术有望提升AR图像清晰度与亮度
超表面技术有望提升AR图像清晰度与亮度
（映维网Nweon 2025年11月12日）根据罗切斯特大学新闻中心，罗切斯特大学的研究人员设计并展示了一种新型光学元件，可以显著提高增强现实眼镜的亮度和图像质量。这一进展使AR眼镜向变得像当今智能手机一样普及和实用又迈进了一步。
研究人员指出：”当今许多AR头戴设备笨重，电池续航时间短，显示器暗淡且在户外尤其难以看清。通过为显示器创建一个效率高得多的输入端口，我们的研究有助于使AR眼镜更明亮、更节能，使其从一个小众设备转变为像普通眼镜一样轻便舒适的产品。”
团队描述了他们如何用具有三个特殊功能区域（每个区域均由超表面材料制成）的耦入器（图像进入眼镜的输入端口）取代了单一波导耦入器，从而实现了性能提升。
超表面驱动的AR
在增强现实眼镜中，波导耦入器将图像从微型显示器注入镜片，从而使虚拟内容叠加在现实世界之上。然而，当今AR眼镜中使用的耦入器往往会降低图像亮度和清晰度。
为了克服这些问题，研究人员使用超表面技术创建了一个具有三个特殊功能区域的耦入器。超表面是超薄材料，其图案特征比人类头发细数千倍，这使得它们能够以传统透镜无法实现的方式弯曲、聚焦或过滤光。
团队指出：”超表面比传统光学元件提供更大的设计和制造灵活。这项改进耦入器（光损耗的主要来源之一）的工作，是一个更大项目的一部分，目标是利用超表面设计整个波导系统，包括输入端口、输出端口以及引导光在其间传播的所有光学元件。”
对于新的耦入器，研究人员设计了超表面图案，使其能够有效捕获入射光，并大幅减少光回漏的量。超表面还能保持入射光的形状，这对于维持高图像质量至关重要。
这项研究建立在研究人员早先的理论工作基础之上，亦即多区耦入器能提供最佳的效率和图像质量。团队表示，超表面光栅的进步使得设计具有足够的灵活性来创建三个精确定制的区域，同时，最先进的制造方法——包括电子束光刻和原子层沉积——为构建复杂的高深宽比纳米结构提供了所需的精度。
三区性能测试
为了演示新的耦入器，研究人员使用定制搭建的光学装置，分别制造并测试了三个超表面区域中的每一个。然后，他们使用类似的装置测试了完全组装好的三区器件作为一个完整系统的性能，以测量在从-10度到10度的整个水平视场内的总耦合效率。
测量结果显示，在大部分视场内，实测数据与模拟结果高度吻合。整个视场内测得的平均效率为30%，与模拟的平均效率31%非常接近。唯一的例外是在视场的最边缘，即-10度处，测得的效率为17%，而模拟值为25.3%。研究人员将此归因于设计在该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。
研究人员目前正致力于将新的超表面设计和优化框架应用于波导的其他组件，以演示一个完整的、基于超表面的高效率系统。一旦完成这项工作，他们计划将设计从单色（绿色）扩展到全彩（RGB）操作，然后进一步完善设计，以提高制造容差并最小化视场边缘的效率下降。
相关论文：Design and experimental validation of a high-efficiency multi-zone metasurface waveguide in-coupler
研究人员指出，要使这项技术足够实用以进行商业化，有必要演示一个完全集成的原型，该原型需将耦入器与真实的微型显示引擎和耦出器配对。另外，必须开发一种稳健、高产量的制造工艺，以低成本复制复杂的纳米结构。
