来自罗切斯特大学的研究人员介绍称，一种名为“metaform”的新型光学元件能够与自由曲面光学强强联合，有望应用于下一代AR/VR头盔和眼镜。 （图片来源：罗切斯特大学/ Michael Osadciw）

　　在价值200亿美元的AR/VR眼镜市场里，“图像”就是王道。消费者需要看到集成度高、佩戴方便并能够提供高质量图像的产品，而不是问题缠身的产品。

　　罗切斯特大学光学研究所的研究人员开发出一种新技术，能够最大限度地满足上述要求。在他们发表于《科学•进展》的论文中，介绍了一种印有纳米光子光学元件（即“metasurface（下称MS）”）的光学自由曲面。

　　MS好比是在金属薄膜表面用纳米级的银颗粒构建的一片森林，因此，它能够完美贴合光学自由曲面，并形成一种被研究人员称作metaform（下称MF）的新型光学元件。

　　MF表面汇聚可见光并将其导向眼睛的示意图。 （图片来源：Daniel K. Nikolov）

　　MF能够无视传统反射定律，汇集来自AR/VR镜片周围各个方向的可见光，并将它们直接导向眼睛。

　　量子光学和量子物理学教授Nick Vamivakas将这种纳米结构比作小型无线电天线。“当我们打开设备并用特定波长的光线照射它的时候，这些小型天线开始振动，发射出一束携带图像信息的新光线，并向下游传输。”

　　自由曲面光学中心主任Jannick Rolland介绍称：“MS又被称作‘平面光学’，所以将MS印在光学自由曲面上是一项新的开创性工作。”

　　Rolland补充道，“这种光学元件能够在任意（形状）的平面镜和透镜上使用，我们已经想到了更多的应用方向。”比如传感器和运动相机。

　　研究人员的目标是将进入AR/VR眼镜的可见光导向眼睛。新设备使用了一种自由空间光学组件；然而，当这种组件被整合进眼镜，作为包头式光学自由曲面的一部分时，便会漏掉部分导向眼睛的光线。竞博平台单靠光学自由曲面无法解决这一问题。

　　自由曲面及集成MS前后自由曲面的成像效果。 （图片来源：Daniel K. Nikolov）

　　Rolland研究小组的一名光学工程师、论文第一作者Daniel Nikolov表示，“将光学自由曲面和MS结合在一起，理解二者与光线的相互作用，并最终获得高质量图像是一项严峻的挑战。”

　　Rolland提到，另一大难题是“加工工艺从微米尺度到纳米尺度”的跨越。实际对焦设备的直径大约2.5毫米，比印在光学自由曲面上纳米结构的最小尺寸大10,000倍。

　　Nikolov说：“站在设计的角度，这意味着改变自由曲面透镜的形状，通过某种方式将纳米结构分布在透镜表面，并保证二者能够协同工作，最终得到光学性能优异的设备。”

　　这就需要Rolland团队中的光学工程师Aaron Bauer找到一种方法，能够克服无法在光学设计软件中直接使用MS的难题。事实上，在制造集成MF设备的过程中用到了许多种软件。

　　Nikolov坦言加工过程很艰难。其中需要用到电子束曝光技术，即使用电子束切掉薄膜MS的一部分来沉积纳米银结构。使用电子束在自由曲面表面雕刻并不常见，需要设计新的加工工艺。

　　研究人员使用了密歇根州立大学Lurie纳米制造工厂的JEOL电子束曝光设备。为了在光学自由曲面表面印刷MS，他们首先用一套激光传感测量系统构建了自由曲面表面的3维结构图。竞博平台随后，将3维结构图导入到JEOL中，并指定纳米结构的具体印刷高度。

　　Nikolov说：“我们还在进一步改进设备。”Vamivakas研究团队的博士后助理Fei Cheng，来自日本的JEOL代表Hitoshi Kato，以及密歇根州立大学纳米制造实验室的职工都与Nikolov一起，致力于“在经历数次工艺的迭代后”成功制造出产品。

　　Rolland认为：“这是使梦想成真的过程，需要团队中的每位成员都为之努力并密切协作。”

　　自由曲面光学是一项新技术，它使用在光学直径内/外没有对称轴的透镜和反射镜来制造更轻、集成度更高且更高效的光学设备。

　　其应用场景包括3维成像和可视化、竞博平台增强现实和虚拟现实、红外和军用光学系统、高效车用LED光源、能源研究、远距离传感、半导体制造和验伤以及医疗辅助技术。

　　自由曲面光学中心的Rolland，Bauer及合作者在不久前发表于《光学》的一篇综述文章中讨论了这一技术，包括无旋成轴透镜的早期发展，光学自由曲面的设计、制造、测试和组装，基础理论及展望。