偏振體全息光波導(dǎo)AR眼鏡

戴上眼鏡，在手機(jī)App上點(diǎn)擊“翻譯”“提詞”“導(dǎo)航”頁卡，發(fā)出語音指令，眼前便會依次浮現(xiàn)出一串串實(shí)時(shí)翻譯的對話、演講提詞、車用導(dǎo)航信息。隨著頭部擺動，這些信息也隨之移動，始終保持在眼前。11月15日，在東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院信息顯示與可視化研究院，當(dāng)記者佩戴起這款利用偏振體全息光波導(dǎo)（PVG）技術(shù)研制出的AR眼鏡時(shí)，未來感撲面而來。

這款A(yù)R眼鏡于日前正式發(fā)布，由該校電子科學(xué)與工程學(xué)院教授、顯示研究院院長張宇寧團(tuán)隊(duì)聯(lián)袂立訊精密工業(yè)股份有限公司（以下簡稱“立訊精密”）自主研發(fā)。

圖片:搜狗截圖20241119204810.png

“與表面浮雕光柵（SRG）技術(shù)相比，PVG技術(shù)能讓AR眼鏡的光效提升至300%，大幅提升了AR眼鏡的續(xù)航能力和顯示亮度，并使前向漏光降低80%，提高了觀看的私密性。此外，PVG技術(shù)也可以在視場范圍較大時(shí)，保證畫面的連續(xù)性與均勻性。”張宇寧說。

為AR眼鏡“鑄膜”

從外觀上看，這款只有45克重的眼鏡與日常所用眼鏡并無二致，但仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，這款眼鏡在鏡片內(nèi)側(cè)有一塊薄薄的透明膜。這片膜，便是該眼鏡的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

“當(dāng)用手機(jī)App向眼鏡發(fā)出操作指令后，鏡腿中的微像元就會將手機(jī)中的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給鏡片中的小光柵，光柵通過光波導(dǎo)片，也就是一種光學(xué)膜，將圖像投入人眼�！睆堄顚幗忉�，光波導(dǎo)片雖然看上去平平無奇，但為了將其制備成型，團(tuán)隊(duì)曾面臨三項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

挑選適合的材料制備AR眼鏡的光學(xué)膜，是團(tuán)隊(duì)要攻克的第一項(xiàng)難題�！澳壳�，國外不少知名品牌的AR眼鏡都在探索做遠(yuǎn)向投影，其中一條路線是利用光致聚合物制備光學(xué)膜，但這種膜的性能不夠理想。后來團(tuán)隊(duì)成員翁一士經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)，液晶材料折射率調(diào)制度可達(dá)0.3，是傳統(tǒng)光致聚合物的6—10倍�！睆堄顚幗榻B，調(diào)制度的提升，意味著光學(xué)視場角度的擴(kuò)大，可提高用戶使用時(shí)的沉浸感，進(jìn)行彩色顯示時(shí)，不會因?yàn)閹�寬擴(kuò)大，而影響顏色的均勻度。

但僅發(fā)現(xiàn)液晶材料還不夠，還要讓它“為我所用”。對此，張宇寧團(tuán)隊(duì)將液晶材料與其他輔助材料配比，并在不同溫度環(huán)境下測試，最終確認(rèn)液晶材料與輔助材料的配比。“現(xiàn)在這款眼鏡可以在80攝氏度以下、80%的相對濕度下使用�！睆堄顚幷f。

提升畫面顯示質(zhì)量

確定了液晶材料的“C位”身份后，如何設(shè)計(jì)膜內(nèi)的三維空間結(jié)構(gòu)，并讓液晶材料在光學(xué)膜內(nèi)分布，是制備光學(xué)膜要攻克的另外兩個關(guān)鍵問題。

張宇寧說：“我們利用干涉曝光方法，通過材料自組裝形成液晶分子三維空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特定的折射率空間分布，從而控制光的傳播，達(dá)到顯示成像的效果。”

基于液晶材料，設(shè)計(jì)、加工特定衍射光柵結(jié)構(gòu)，并將圖像傳導(dǎo)到視網(wǎng)膜上的技術(shù)，便是PVG技術(shù)。

張宇寧介紹，傳統(tǒng)AR眼鏡鍍膜一般采用SRG技術(shù)。二者的區(qū)別在于，SRG技術(shù)是采用微納刻蝕與納米壓印方法，讓光學(xué)材料在基材表面形成基于形貌的周期性結(jié)構(gòu)，而PVG技術(shù)則通過全息干涉方法，讓光學(xué)材料在基材內(nèi)部形成基于折射率變化的周期性分布。

“SRG技術(shù)和PVG技術(shù)都是基于光柵衍射和全反射原理傳播成像。與SRG技術(shù)相比，PVG技術(shù)可以更有效地抑制高階衍射級次，將能量集中于所需的光線偏轉(zhuǎn)角度上，可以最大程度地保證波導(dǎo)的光學(xué)傳輸效率，在降低功耗、提升亮度的同時(shí)，能有效抑制當(dāng)前衍射光波導(dǎo)面臨的背向漏光與彩虹效應(yīng)等瓶頸問題。”張宇寧說。

成果從“書架”到“貨架”

在經(jīng)過10余年的研發(fā)后，如何將科研成果從實(shí)驗(yàn)室搬到生產(chǎn)線，是張宇寧團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在要跨過的另一道檻。眼下，張宇寧團(tuán)隊(duì)正在搭建鏡片中試產(chǎn)線。

如果要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，成本控制是關(guān)鍵�！袄�用PVG技術(shù)制備鏡片僅需使用濕法涂布和全息曝光工藝，無需借助光刻、電子束刻蝕、納米壓印等復(fù)雜昂貴的微納加工技術(shù)。濕法涂布和全息曝光的制備方式，可大幅降低眼鏡的生產(chǎn)成本，提高制備效率，從而確保鏡片的制備具有成本優(yōu)勢。與現(xiàn)有的SRG技術(shù)相比，PVG技術(shù)制備可使AR眼鏡成本降低60%，有望推動AR眼鏡的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)和普及應(yīng)用�！睆堄顚幗榻B。

最近，張宇寧團(tuán)隊(duì)已與制造業(yè)龍頭企業(yè)立訊精密達(dá)成合作，由科研團(tuán)隊(duì)加工AR眼鏡的光波導(dǎo)鏡片，立訊精密將核心元器件整合進(jìn)眼鏡，形成整機(jī)應(yīng)用。

“現(xiàn)在我們和立訊精密等企業(yè)合作，進(jìn)一步聯(lián)合開發(fā)了適用于車載的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，希望未來能有更多應(yīng)用場景�！睆堄顚幷f。

東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院黨委書記江雪華介紹，為進(jìn)一步推進(jìn)有組織科研，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，該院圍繞微納材料與器件、智能傳感與系統(tǒng)、光電互聯(lián)與傳輸、信息顯示與成像等4個研究方向，組建了近20個科研團(tuán)隊(duì)。而由張宇寧擔(dān)任院長的信息顯示與可視化研究院，便是學(xué)院科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合的試驗(yàn)田。

“我們希望以此為嘗試，通過高價(jià)值的科技成果產(chǎn)出和高效能的科技成果轉(zhuǎn)化，推動產(chǎn)學(xué)研深度合作，為推動學(xué)科發(fā)展和培育新質(zhì)生產(chǎn)力作出貢獻(xiàn)�！苯�雪華說。