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AR/MR设备光学元件的未来：超透镜

MicroLEDDisplay

2022-09-20

导读：瑞淀的视觉检测和测量解决方案组合可为AR/VR/MR设备中内置的所有光学组件提供有效的质量评估解决方案，从microLED显示器、波导、超透镜到用于眼动和手势跟踪的红外传感器，一直到最终组装。

自从2011年谷歌公司（Google）发布首款增强现实（AR）智能眼镜产品（谷歌眼镜）以来，多家公司相继推出了面向企业和普通消费者的智能眼镜和头戴设备版本。尽管业界对这类设备的功能和应用潜力仍然兴致很高，但大众市场消费者普及速度一直很缓慢。许多专家和分析师一致认为，这类设备的尺寸、体积和外观是一个很大的阻碍因素。

头戴式AR/MR设备和智能眼镜示例。左上角顺时针方向：微软的HoloLens 2（图片©微软）、Vuzix的新一代智能眼镜（图片© Vuzix）、小米的智能眼镜（图片：来源）以及联想的ThinkReality A3智能眼镜（图片©联想）。

AR、MR（合并或混合现实）设备和智能眼镜在企业应用领域的销量一直很好。举例来说，头戴设备在制造、培训、医疗、军事用途等应用领域的普及率很高。但到目前为止，消费者们对这类设备的反应并不积极。事实上，70%的美国消费者¹不确定增强现实是什么（即使他们可能在移动设备上出于娱乐目的使用过AR/MR照片滤镜或者玩过Pokémon Go游戏）。很显然，AR/MR行业未来还需要开展一些消费者教育和营销工作。另一个障碍则是市场上目前仍未出现可以实现产品突破的“杀手级应用”。

AR/MR设备在消费者中间普及速度缓慢的另一个因素在于设备本身。“许多技术问题阻碍了AR/VR设备的广泛使用，尤其是光学架构引起的瓶颈。举例来说，当前头戴式AR设备的外形尺寸受限于笨重的折射光学元件以及目镜与显示器之间的距离。另一个问题是，折射透镜可能引起色差，致使成像质量不佳，并导致不同颜色的显示图像以不同的放大倍率出现。此外，复杂的光学系统（比如：投影复合透镜）在光引擎中也很常见。”²

最近的发展趋势终于为解决这些挑战指明了方向。现在，先进的波导技术、微型显示器和超透镜为制造商们开发尺寸更小、重量更轻的AR/MR智能眼镜和头戴式设备提供了潜力，这将吸引普通消费者用户。在这篇博客文章中，我们将探讨新兴的超透镜纳米技术。

超表面和超透镜

超透镜是由可以聚焦和散射光线的纳米级超表面层制成的平面透镜技术。超表面由排列成不同阵型的微小柱子（也称为触角或纳米鳍）组成。这些3D纳米结构的特殊排列改变了入射光波的偏振、强度、相位和方向。光波可以通过超表面结构聚焦成几乎任何形式。超透镜比传统的玻璃透镜薄得多，这为制造比以往尺寸更小、重量更轻的广泛光学设备开辟了许多新的可能性。

示意图：超透镜如何折射光线。（图片来源：Giuseppe Strangi和Federico Capasso）

AR/MR设备中的超透镜

在过去的18个月中，用于AR/VR/MR应用（统称为XR）的超透镜技术领域取得了新的发展和突破，包括：

超表面和全息图。韩国首尔国立大学（Seoul National University）的一个团队一直在研究超表面全息图和超透镜。他们开发了一种新型超表面，“其可以控制整个空间内的光线。通过利用该平台，我们可以展示独立的全息图像和用于透射和反射的光束偏转。”³

同时，他们还开发了“一种根据入射角再现不同全息图的设备”⁴和一种双合超透镜，其中，“一面用于校正色差和单色像差，另一面则对可见光谱中的三种基色进行聚焦和过滤。这种双合超透镜可以校正目标颜色的像差，并且具有较高的数值孔径（NA）。最后，具有高数值孔径的超透镜目镜可以实现一种紧凑的系统，将现实场景与虚拟图像相结合。此外，我们的超透镜还具有宽广的视场，可以克服现有AR设备的缺陷。”⁵了解更多…

消色差且无像差的RGB超透镜。哈佛大学的一个团队开发了一种消色差超透镜，其可以聚焦RGB（红、绿、蓝）颜色，并且不会出现像差。这款超透镜直径为2毫米，是用于虚拟现实和增强现实应用的微型显示器的核心部件。“该实验室之前发明了消色差超透镜，可以在整个可见光谱范围内工作，而这以前只能通过堆叠多个透镜来实现。”⁶

这项发明“使该技术能够在与AR/VR系统相关的范围内工作。这种新型光学系统解决了传统镜头中常见的色差问题。此外，平面光学元件的使用则使光学系统具有较轻的重量，而且可进行扩展制造。”⁷

这种新型显示器的“设计灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像技术，使用光纤穿过压电管。当在压电管上施加电压后，光纤尖端将会进行全方位（上、下、左、右）扫描，以显示图形，从而构成微型显示器。”⁸它提供高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域。了解更多…

示意图：哈佛大学开发的AR/VR超透镜显示器在VR或AR平台中的应用。超透镜将直接置于眼睛前方，而显示器将位于超透镜的焦平面内。显示器扫描的图形将在超透镜的帮助下聚焦在视网膜上，形成虚拟图像。（图片来源）

将配备超透镜的XR设备推向市场

超表面技术领域取得的这些最新进展为头戴式XR设备带来了未来采用超薄、轻质、扁平超透镜的前景。在AR设备中，超透镜直接置于人眼前方，而显示器则位于超透镜的焦平面上。来自显示器的光线通过超透镜聚焦到视网膜上，形成虚拟图像，该虚拟图像叠加在用户通过智能眼镜观看到的真实场景上。

各种超透镜纳米结构图形示例。（图片来源）

虽然超透镜具有优势，但其光学效率低于传统透镜，人眼将会观察到亮度、对比度和清晰度降低。更不用说，在如此小的组件上放置纳米级结构将会多么困难。此外，如果超透镜制造不精确，将会导致色差和波像差。人眼将会观察到强度分布不佳、颜色不均匀和透明度低。为了成功地将用于XR显示器的超透镜商业化，制造商们必须精心设计设备，并执行严格的测试。

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确保超透镜光学元件的光学质量：

MTF测试

通过执行MTF（调制传递函数）测试，我们可以了解光学组件在光线传输和反射方面的性能如何，以及这将会如何影响人眼对最终图像清晰度的感知。瑞淀提供以下三种MTF测试方法：

斜边对比度。用于测量斜边的黑色区域与白色区域之间的比率。
线对法。用于测量间隔紧密的垂直线与水平线之间的相似值。
直接测量线扩展函数（LSF）。

MTF测量可以用于分析超透镜的成像质量（生成预期图像的效果如何）。显微镜非常适用于测试MTF，原因主要在于超透镜非常小。为了隔离超透镜以进行测量，我们可以使用LED光源点亮组件，然后使用配备了标准镜头或显微镜头的成像系统采集输出图像，以进行MTF分析。

用于AR设备的透视超透镜的测量结果样本，显示了不同波长光线的强度和MTF值。（图片来源：Nature.com）

上面的数据样本显示了不同波长光线的强度和MTF值如何受到超透镜特性的影响。下面的图表显示红色波长的光线具有最低的MTF值。这意味着红色虚拟图像将会不太清晰。通过使用可量化的数据分析MTF，可帮助指导开发人员改进设备设计。瑞淀提供XR设备视觉检测工具库，其中专门开发了独特的MTF分析工具，用于表征AR/MR显示器所产生光线的质量，并提供精确的数据点，以了解超透镜特性对视觉元素的影响。

MTF测量图示表明，红色图像将会不太清晰，而蓝色图像将会最清晰。

XR设备的检测解决方案

瑞淀的新型XRE镜头提供灵活的解决方案，用于测量XR光学元件的完整生态系统（包括超透镜）以及XR设备的各种光学配置。瑞淀正在申请专利的该镜头设计整合了独特的内部对焦机制和电子控制功能，可立即将所连接的成像系统的焦点调整到多个焦平面。将XRE镜头与ProMetric®成像色度计或亮度计以及TrueTest™软件中的TT-ARVR™模块搭配使用，可用于测量各种XR设备中内置显示器的视觉性能。

瑞淀的XRE镜头解决方案，其中，折叠配置可与ProMetric I成像色度计（后）搭配使用，非折叠配置与 ProMetric Y成像亮度计（前）搭配使用。

瑞淀的视觉检测和测量解决方案组合可为AR/VR/MR设备中内置的所有光学组件提供有效的质量评估解决方案，从microLED显示器、波导、超透镜到用于眼动和手势跟踪的红外传感器，一直到最终组装，瑞淀可以从用户视觉感知的角度精确评估头戴式设备内的所有可见元件。

瑞淀的XR设备测量解决方案套件包括ProMetric®成像亮度计和色度计、TrueTest™软件、显微镜头、NIR近红外光辐射强度测量镜头结合TT-NIRI™软件、以及AR/VR镜头或XRE镜头结合TT-ARVR™软件。

引用文献

1. "Key Augmented Reality (AR) Statistics You Should Know", Finances Online. Sources: IB Times, GearBrain, Inception, BPC Consulting. (Accessed July 7, 2022)

2. Z. Li et al., "A Metalens-Based Virtual Reality (VR) / Augmented Reality (AR) System", 2020 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), 2020, pp. 1-2, IEEE Xplore.

3. B. Lee, et al. "Metasurface for imaging and AR/VR devices", Proc. SPIE 12019, AI and Optical Data Sciences III, 1201906, March 2022. DOI: 10.1117/12.2610400

4. Ibid.

5. Ibid.

6. Z. Li et al., “Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality,”Science Advances, Vol 7(5), Janu 27, 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abe4458

7. Ibid.

8. L Burrows, “A metalens for virtual and augmented reality”, Harvard University John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences, News & Events. January 27, 2021.

关于瑞淀光学系统

瑞淀光学系统致力于与世界一流的品牌商和制造商们合作，为客户提供富有创意的视觉检测解决方案，帮助他们提高产品质量、降低生产成本和提升客户满意度。瑞淀在亮度和色度成像领域的技术创新传统和全球安装基础可追溯至30年多前，解决了消费类电子产品、汽车制造等众多行业的广泛应用。瑞淀光学系统的产品线包括用于质量控制的TrueTest™自动化视觉检测软件以及ProMetric®成像色度计、亮度计和光源测量系统。瑞淀总部位于美国华盛顿州雷德蒙德市(Redmond)，在美国加州和密歇根州、中国、韩国和越南都分别设有战略办事处。自2015年8月起，瑞淀并入柯尼卡美能达公司(Konica Minolta)的传感事业部。更多相关信息，请访问公司网站：

www.RadiantVisionSystems.com.