超表面波导有望降低增强现实（AR）设备损耗并提升成像质量
2025-11-26
增强现实（AR）波导显示器通常存在效率偏低的问题，这是由入射光与图像入射端（又称耦合输入端，即图像进入玻璃波导的部位）多次相互作用产生的能量损耗所致，而该损耗会限制系统的亮度与清晰度。
为确保 AR 设备输出明亮且均匀的视觉效果，罗切斯特大学的一支研究团队研发出一种耦合输入端，其采用超表面材料制成并包含三个专用区域，每个区域均经过优化以实现高效能。
这种多区域超表面耦合输入端，有望推动 AR 设备在教育、娱乐、工程、医疗及其他领域更贴近实用化日常应用。
该研究的负责人Nickolas Vamivakas教授表示：“如今许多 AR 头显体积庞大、续航时间短，且显示器亮度不足、难以看清，在户外环境中尤为明显。通过为显示器打造效率大幅提升的入射端，我们的研究有助于让 AR 眼镜变得更明亮、更节能，使其从小众 gadget 转变为像普通眼镜一样轻便舒适的产品。”
图：研究人员设计出一种高效多区域超表面波导耦合输入端，该装置可提升 AR 波导显示器的亮度与清晰度，使其更适用于日常实用场景。
图｜相关论文（来源：the University of Rochester/ J. Adam Fenster）
研究人员通过电子束光刻技术与原子层沉积技术制备了超表面材料。他们设计的超表面图案能高效捕获入射光，减少光泄漏量，同时确保超表面可保留入射光的形状 —— 这对生成高质量图像至关重要。
该耦合输入端的设计基于团队此前的研究，他们在理论上已证实多区域耦合输入端可提升 AR 设备的效率与成像质量。当前研究则将团队理想化的多区域理论转化为实际的 AR 元器件。整个设计过程中，团队以定制化优化框架为指导，该框架纳入了真实效率值，并考虑了非最优效率总和与材料损耗问题。
“本论文首次填补了从理想化理论到实用化现实元器件之间的鸿沟。” Vamivakas表示。
超薄超表面材料能够以传统材料透镜无法实现的方式弯折、聚焦和过滤光线，且相比传统光学器件，具备更高的设计与制造灵活性。精密超表面光栅的运用，为研究人员提供了构建三个不同耦合输入区域所需的设计自由度；先进的制备工艺则满足了制造复杂、高纵横比纳米结构的精度要求。
研究人员通过定制光学装置对每个超表面区域进行了单独测试，随后将组装完成的三区域 AR 设备作为完整系统，采用类似光学装置测量了从 - 10 度到 10 度整个水平视场（FOV）的总耦合效率。
实验结果验证了该超表面设计的有效性，并证实了多区域方案在实际工作环境中的可行性。测试数据显示，在视场的大部分范围内，实测结果与模拟结果高度吻合。该视场范围内的平均实测耦合效率为 30%，与 31% 的模拟平均效率数值十分接近。
唯一的例外出现在视场边缘的 - 10 度位置，此处实测效率为 17%，而模拟效率为 25.3%。研究人员认为，这一差异源于该角度下该设计具有较高的角度敏感性，同时也可能是由微小的制备缺陷所致。
目前该团队正致力于将这种新型超表面设计及定制化优化框架应用到波导的其他元器件中，力求打造出一套完整的高效超表面波导系统。达成这一目标后，研究人员计划将该设计从单一的绿色显示拓展至红 - 绿 - 蓝全彩显示模式，同时还将优化设计方案，以提升制备容错率，并最大限度地减少视场边缘的效率衰减问题。
Vamivakas 表示：“耦合输入端是光损耗的主要发生部位，本次对其进行的性能改进研究，是一项更大科研项目的组成部分。该大型项目旨在借助超表面材料设计整套波导系统，涵盖耦合输入端、耦合输出端以及连接两者的所有导光光学器件。”
要实现这项技术的商业化，研究人员需研发出一款完全集成的原型设备，将该耦合输入端与实际的微显示引擎及耦合输出端进行适配整合。同时，他们还需研发一套稳定可靠且高效量产的制造工艺，以低成本批量制备这类复杂的纳米结构。
不过，本次研究已证实了超表面耦合输入端用于波导显示器的可行性，且为研发高效增强现实显示器专用耦合输入端提供了一条经实验验证的技术路径。
Vamivakas 认为，团队的这种设计思路除了应用于增强现实领域，还可拓展到其他各类应用场景的显示设备中。
他指出：“尽管我们的核心研究方向是增强现实技术，但这种高效的角度选择性光耦合技术，同样可应用于其他小型光学系统，例如汽车或航空航天领域的平视显示器，以及各类先进的光学传感器。”
该研究成果已发表于《光学材料快报》期刊。
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