在200億美元的AR/VR眼鏡市場(chǎng)，"形象 "就是一切。消費(fèi)者正在尋找結(jié)構(gòu)緊湊、易于佩戴的眼鏡，用社會(huì)可接受的光學(xué)技術(shù)提供高質(zhì)量的圖像。羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所的研究人員想出了一種新技術(shù)，以最大的效果提供這些屬性。在《科學(xué)進(jìn)展》雜志的一篇論文中，他們描述了用一種被稱為 "元表面 "的納米光子光學(xué)元件來印制自由形狀的光學(xué)元件。

元表面是在金屬薄膜上的一個(gè)名副其實(shí)的微小銀納米級(jí)結(jié)構(gòu)的森林，在這一進(jìn)展中，它符合光學(xué)元件的自由形狀，實(shí)現(xiàn)了研究人員稱之為元形的新光學(xué)元件。

該微小銀納米級(jí)結(jié)構(gòu)能夠違背傳統(tǒng)的反射定律，收集從各個(gè)方向進(jìn)入AR/VR目鏡的可見光，并將它們直接重定向到人眼。量子光學(xué)和量子物理學(xué)教授尼克-瓦米瓦卡斯（Nick Vamivakas）將這種納米級(jí)結(jié)構(gòu)比作小規(guī)模的無線電天線，當(dāng)我們啟動(dòng)設(shè)備并以正確的波長(zhǎng)照射它時(shí)，所有這些天線開始振蕩，輻射出一種新的光線，將我們想要的圖像送到下游。

這種光學(xué)元件可以應(yīng)用于任何鏡子或鏡頭，已經(jīng)在其他類型的元件中找到了應(yīng)用，如傳感器和移動(dòng)相機(jī)。研究人員目標(biāo)是將進(jìn)入AR/VR眼鏡的可見光導(dǎo)向眼睛。新設(shè)備使用一個(gè)自由空間的光學(xué)組合器來幫助做到這一點(diǎn)。然而，當(dāng)組合器是自由曲面光學(xué)的一部分，圍繞頭部彎曲以符合眼鏡格式時(shí)，并非所有的光都被引導(dǎo)到眼睛。單純的自由曲面光學(xué)技術(shù)不能解決這個(gè)具體的挑戰(zhàn)。

自由曲面光學(xué)是一種新興技術(shù)，它使用表面在光學(xué)直徑內(nèi)外缺乏對(duì)稱軸的透鏡和鏡子來創(chuàng)造比以往更輕、更緊湊、更有效的光學(xué)設(shè)備。其應(yīng)用包括三維成像和可視化、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)、紅外和軍事光學(xué)系統(tǒng)、高效汽車和LED照明、能源研究、遙感、半導(dǎo)體制造和檢測(cè)以及醫(yī)療和輔助技術(shù)。

羅蘭德、鮑爾和自由曲面光學(xué)中心的合作者最近在《Optica》上發(fā)表了一篇論文，概述了這項(xiàng)技術(shù)，包括無旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性鏡片的早期發(fā)展；自由曲面光學(xué)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和裝配；基礎(chǔ)理論和對(duì)未來的展望。這就是為什么研究人員必須利用元表面來構(gòu)建一個(gè)新的光學(xué)元件。整合這兩種技術(shù)，即自由曲面和元曲面，了解它們?nèi)绾闻c光互動(dòng)，并利用這一點(diǎn)來獲得良好的圖像，這是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

這種系統(tǒng)實(shí)際的聚焦裝置直徑約為2.5毫米。但即使是這樣，也比印在自由形狀的光學(xué)元件上的最小的納米結(jié)構(gòu)大一萬倍。從設(shè)計(jì)的角度來看，這意味著要改變自由形態(tài)透鏡的形狀，并將納米結(jié)構(gòu)分布在透鏡上，使它們兩者協(xié)同工作，得到一個(gè)具有良好光學(xué)性能的光學(xué)裝置。

Rolland小組的光學(xué)工程師Aaron Bauer找到一種方法來規(guī)避在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中無法直接指定元表面的情況，他們使用了不同的軟件程序來實(shí)現(xiàn)一個(gè)集成的元面設(shè)備。其中制造是令人生畏的。它需要使用電子束光刻技術(shù)，其中電子束被用來切割需要沉積銀納米結(jié)構(gòu)的薄膜元表面部分。用電子束在彎曲的自由曲面上進(jìn)行書寫是不典型的，需要開發(fā)新的技術(shù)。

研究人員在密歇根大學(xué)的Lurie納米加工設(shè)施使用了一臺(tái)JEOL電子束光刻（EBL）機(jī)器。為了在一個(gè)彎曲的自由曲面光學(xué)元件上寫入元表面，他們首先使用激光探針測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)自由曲面的三維地圖。然后將三維地圖編入JEOL機(jī)器，以指定每個(gè)納米結(jié)構(gòu)需要在什么高度制造。研究人員經(jīng)過多次迭代過程，成功實(shí)現(xiàn)了制造。

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