在价值200亿美元的AR/VR眼镜市场上，“图像”就是一切。消费者正在寻找一种紧凑、易于佩戴的眼镜，这种眼镜能够提供社会认可的高质量图像，而且看起来不像“虫眼”。罗彻斯特大学光学研究所的研究人员发明了一种新技术，可以最大限度地发挥这些特性。在论文中科学的进步在美国，他们用一种叫做“超表面”的纳米光子光学元件来印迹自由曲面光学。
超表面是一层金属薄膜上真正的由微小的银纳米结构组成的森林，在这一进展中，它符合光学的自由形状——实现了一种新的光学元件，研究人员称之为超表面。这种超形态能够挑战传统的反射定律，收集从各个方向进入AR/VR目镜的可见光，并将它们直接重定向到人眼。
Nick Vamivakas教授量子光学和量子物理学把纳米结构比作小规模的无线电天线。“当我们启动设备并用正确的波长照明时，所有这些天线开始振荡，辐射出新的光，向下游传递我们想要的图像。”
“超表面也被称为‘平面光学’，所以在自由曲面光学上书写超表面是一种全新的光学元件，”布赖恩·j·汤普森光学工程教授、自由曲面光学中心主任Jannick Rolland说。“这种光学元件可以应用于任何镜子或镜头，所以我们已经在其他类型的元件上找到了应用，比如传感器和移动相机。”
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为什么自由形式的光学还不够
第一次演示需要很多年才能完成。其目标是引导进入AR/VR眼镜的可见光进入眼睛。这种新设备使用了一个自由空间光学合成器来帮助实现这一点。然而，当合成器是围绕头部弯曲以符合眼镜格式的自由光学元件的一部分时，并不是所有的光都被导向眼睛。光靠自由曲面光学无法解决这个具体的挑战。
这就是为什么研究人员必须利用一个超表面来构建一个新的光学组件。“将自由曲面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，并利用它们来获得良好的图像是一个主要的挑战，”罗兰研究小组的光学工程师、第一作者丹尼尔·尼科洛夫(Daniel Nikolov)说。
制造的挑战
罗兰说，另一个障碍是“从宏观尺度到纳米尺度”之间的桥梁。实际的聚焦装置直径约为2.5毫米。但即便如此，也比最小的纳米结构印在自由形光学上。
“从设计的角度来看，这意味着改变自由形状透镜的形状，并以一种两者协同工作的方式在透镜上分布纳米结构，这样你就得到了一个具有良好光学性能的光学设备，”Nikolov说。
这就要求罗兰团队的光学工程师Aaron Bauer找到一种方法，以避免在光学设计软件中直接指定超表面的缺陷。事实上，不同的软件程序被用来实现一个集成的元设备。
尼科洛夫说，造假是令人生畏的。它需要使用电子束光刻技术，即用电子束切割需要沉积银纳米结构的薄膜超表面部分。在曲面自由曲面上用电子束刻划是不常见的，需要开发新的加工工艺。
研究人员使用了JEOL电子束光刻技术(EBL)机器在密歇根大学的Lurie纳米制造设施。为了在弯曲的自由曲面上书写超曲面，他们首先使用激光探针测量系统创建了自由曲面的3D地图。然后，3D地图被编程到JEOL机器中，以指定每个纳米结构需要制造的高度。
“我们一直在推动机器的性能，”尼科洛夫说。Vamivakas集团博士后程飞(音);来自日本的JEOL代表Hitoshi Kato和密歇根纳米制造实验室的工作人员与Nikolov合作，“在过程的多次迭代后”成功实现了制造。
“这是梦想成真，”罗兰说。“这需要整体的团队合作，每个贡献都是这个项目成功的关键。”
来源:罗彻斯特大学
