AR眼镜、微型相机受益,哈佛博士后研究出超薄微透镜

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轻量化,一直是AR眼镜追求的方向之一。目前,高分辨率、高亮度的Micro LED等微型显示模组(光源)的大小已经可以缩减到毫米级别,但缩小光学透镜的体积一直是一大难题,而这也是让AR眼镜向“普通眼镜形态”转变的关键因素。

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近期,前哈佛博士后研究员Reza Khorasaninejad在Ted演讲中,分享了一种薄如发丝的微型透镜的相关研究,为未来的轻量化AR眼镜形态开启了更多可能。据悉,Reza所阐释的透镜工艺名为Metasurface,而用这种工艺生产的微型透镜被称为Metalens。

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Reza Khorasaninejad

Reza不仅是哈佛博士后,也是一家名为BRELYON的公司的联合创始人兼CTO。​而18年12月青亭网就曾报道,BRELYON​这家公司是前Meta首席光学工程师、前MIT研究员Barmak Heshmat在离开Meta后成立的。此后,公司一直处于保密阶段,通过这场演讲或许可以为我们带来一些发现。

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据了解,在进入BRELYON之前,Reza曾在Magic Leap担任两年多时间的高级光学工程师,于去年8月才离职。而他对于Metalens的研究从2014年左右就开始了,并且6年来不断积累相关论文和专利,技术开始越发成熟,在Ted演讲上他甚至还展示了Metalens的原型样板。

Metalens原理

在演讲中,Reza表示:Metasurface工艺对于光学来讲,相当于首款晶体管对于电子产品的意义,即:晶体管取代了体积更大的真空管技术后,让计算机得以从昂贵且庞大的埃尼阿克形态,进化到手掌大小的智能手机形态。也就是说,Metasurface也有望成为颠覆光学技术和形态的一种新型工艺。

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集成在玻璃基板上的100片metalens

目前,AR眼镜、显微镜、天文望远镜所使用的传统凸透镜外形类似于橄榄,两边窄中间厚。其原理是通过衍射的方式,改变光路角度,最终将光线折射到一个焦点,形成图像。如果需要提高聚焦的效果,则需要精确塑造透镜的形状,让它变得比光的波长更短,这一点很难满足。

有哪些优势

那么与传统透镜相比,Metasurface工艺或者Metalens到底有何优势呢?

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据悉,Metasurface由多个高透明度二氧化钛纳米柱(Metalens)排列组成,这些不同图案的纳米柱阵列可将不同颜色的光聚焦在同一点上。通常为了避免不同颜色光线的波长差异引起的色差,会叠加不同厚度的透镜,造成光学元件体积增大。

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相比之下,Metalens的特点是可以实现超薄平面外观,集成在普通眼镜片上肉眼难以察觉,同时也可以像传统AR光学元件那样控制光线。此外,Metalens用现有的工艺技术就能制作,产能效率足够高。

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总结来讲,优势如下:

  • 1,折射率足够高(可达2.4),甚至可以控制光线的基本属性,比如限制光线、光线两极化和阶段、振幅;
  • 2,支持多层叠加;
  • 3,可以克服衍射光波导难以解决的畸变问题;
  • 4,厚度仅600纳米(普通透镜厚度的1/5000),便可将光线波长降低一半(约0.5微米),可与普通眼镜片集成;
  • 5,成本更低,聚焦效果更好,焦距更长。

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使用Metalens重建的全息图像

除此之外,Metasurface的平面透镜误差更小,原因是对于普通透镜来说,需要将焦点精准定位在3D表面上,也就是在3D空间中折射光线,因此可能出错的次数为X³,而Metasurface是全平的,出错的次数为X²,理论上要小得多。

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普通透镜聚焦原理

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Metalens聚焦原理

关于应用场景

应用场景方面,Reza表示Metalens/Metasurface可用于摄像头、医疗手术、自动驾驶汽车(降低激光雷达体积和成本)和AR/VR眼镜等场景,而他自己目前专注的领域则更多是沉浸式光学,也就是AR或者VR眼镜。

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目前,Metalens已经可以聚焦整个光谱,支持多色彩显示(包括白色),达到普通透镜的效果。未来,会与LCD光源集成,制成完整的光学模组。

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