超表面+自由曲面,罗切斯特大学提出AR光学模组新方案Metaform

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自由曲面成像与超表面

映维网 2021年05月07日)为实现小巧易穿且受社会认可的高质量图像眼镜,美国罗切斯特大学的研究人员日前提出了一种将Freeform自由曲面成像光学元件和超表面结合起来的技术,以避免所谓的“虫眼”头显。

在一篇发表在《Science Advances》的论文中,团队描述了一种包含超表面(Metasurface)的Freeform光学元件,并将其称之为Metaform。

据介绍,Metaform可从四面八方收集进入AR/VR目镜的可见光,并将其直接重定向到人眼。

量子光学和量子物理学教授尼克·瓦米瓦卡斯(Nick Vamivakas)将超表面的纳米结构比作小型无线电天线:“当我们启动设备并用合适的波长照亮它时,所有天线都开始往返震荡,辐射一种能够传送目标图像的新光线。”

1. 什么是Freeform自由曲面成像

多数成像系统都是旋转对称,而Freeform则打破旋转对称,透镜和反射镜的表面在光学直径内外缺乏对称轴。对于Freeform自由曲面成像,只需少量的反射面即可修正像差。这带来了众多光路折叠的可能,可帮助实现更轻、更紧凑、更有效的光学设备。对于AR/VR而言,人眼视场的上下左右不对称同样给了这种技术发挥的空间。

2. 为什么单单Freeform尚不足够

既然Freeform可以带来众多光路折叠的可能,并帮助实现更轻、更紧凑、更有效的光学设备,为什么研究人员需要探索超表面这个方向呢?

团队的目标是将进入AR/VR眼镜的可见光引导到眼睛。新设备通过一个Freeform光合路器来帮助实现这一点。然而,当Freeform光合路器是围绕头部弯曲以符合眼镜格式时,并非所有的光都指向眼睛。单靠Freeform无法解决这一特殊挑战。

超表面通过与亚波长结构的光相互作用来实现波前控制。输出光的局部相位通过不同的特征属性进行调整,尺寸在几十到几百纳米的范围内(对于可见光波长照明)。尽管几何近似不能用于描述亚波长尺度上的近场光-物质相互作用,但超表面的远场行为可以使用类似于传统光学的费马原理来描述。所以,可以基于广义斯涅尔定律的亚波长特性对平面的反射和折射特性进行调制。

所以,Metaform可从四面八方收集进入AR/VR目镜的可见光,并将其直接重定向到人眼。

3. 挑战

论文第一作者、光学工程师丹尼尔·尼科洛夫(Daniel Nikolov)解释道:“将Freeform和超表面这两种技术结合起来,了解它们如何与光相互作用,并利用这两种技术获得优秀的图像是一项重大挑战。”

另一个障碍是尺度。实际的聚焦组件直径约为2.5毫米。但即便这样,它都比压印在Freeform光学元件的最小纳米结构要大10000倍。

尼科洛夫指出:“从设计的角度来看,这意味着改变Freeform透镜的形状,并将纳米结构分布在透镜,使两者协同工作。”

团队表示,元件制造非常困难,将电子束刻写到曲面的Freeform表面需要开发新的制造工艺。研究人员使用了密歇根大学卢的JEOL电子束光刻机。为了在Freeform光学元件光刻超曲面,研究人员首先使用激光探针测量系统创建了Freeform的三维映射,然后将3D映射编程到JEOL光刻机,以指定每个纳米结构需要在什么高度制造。

左,虫眼头显;右,搭载Metaform微型成像仪的示例性眼镜

Metaform透镜的实验性实现

最终,团队将Freeform光学元件和超表面的综合优点集成到单个光学元件中,并用一个Metaform透镜实验性地实现了一个微型成像仪。研究人员指出,由Metaform模型实现的设计自由度将能支持新一代光学系统。

相关论文Metaform optics: Bridging nanophotonics and freeform optics

有兴趣的读者可以参阅名为《Metaform optics: Bridging nanophotonics and freeform optics》的论文,其介绍了Metaform的概念,以及相关的原理,计算方程式,涉及材料和制造方法。

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