AR眼鏡、微型相機受益,哈佛博士後研究出超薄微透鏡

輕量化，一直是AR眼鏡追求的方向之一。目前，高解析度、高亮度的Micro LED等微型顯示模組（光源）的大小已經可以縮減到毫米級別，但縮小光學透鏡的體積一直是一大難題，而這也是讓AR眼鏡向「普通眼鏡形態」轉變的關鍵因素。

近期，前哈佛博士後研究員Reza Khorasaninejad在Ted演講中，分享了一種薄如髮絲的微型透鏡的相關研究，為未來的輕量化AR眼鏡形態開啟了更多可能。據悉，Reza所闡釋的透鏡工藝名為Metasurface，而用這種工藝生產的微型透鏡被稱為Metalens。

Reza Khorasaninejad

Reza不僅是哈佛博士後，也是一家名為BRELYON的公司的聯合創始人兼CTO。而18年12月青亭網就曾報導，BRELYON這家公司是前Meta首席光學工程師、前MIT研究員Barmak Heshmat在離開Meta後成立的。此後，公司一直處於保密階段，通過這場演講或許可以為我們帶來一些發現。

據了解，在進入BRELYON之前，Reza曾在Magic Leap擔任兩年多時間的高級光學工程師，於去年8月才離職。而他對於Metalens的研究從2014年左右就開始了，並且6年來不斷積累相關論文和專利，技術開始越發成熟，在Ted演講上他甚至還展示了Metalens的原型樣板。

Metalens原理

在演講中，Reza表示：Metasurface工藝對於光學來講，相當於首款電晶體對於電子產品的意義，即：電晶體取代了體積更大的真空管技術後，讓計算機得以從昂貴且龐大的埃尼阿克形態，進化到手掌大小的智慧型手機形態。也就是說，Metasurface也有望成為顛覆光學技術和形態的一種新型工藝。

集成在玻璃基板上的100片metalens

目前，AR眼鏡、顯微鏡、天文望遠鏡所使用的傳統凸透鏡外形類似於橄欖，兩邊窄中間厚。其原理是通過衍射的方式，改變光路角度，最終將光線折射到一個焦點，形成圖像。如果需要提高聚焦的效果，則需要精確塑造透鏡的形狀，讓它變得比光的波長更短，這一點很難滿足。

有哪些優勢

那麼與傳統透鏡相比，Metasurface工藝或者Metalens到底有何優勢呢？

據悉，Metasurface由多個高透明度二氧化鈦納米柱（Metalens）排列組成，這些不同圖案的納米柱陣列可將不同顏色的光聚焦在同一點上。通常為了避免不同顏色光線的波長差異引起的色差，會疊加不同厚度的透鏡，造成光學元件體積增大。

相比之下，Metalens的特點是可以實現超薄平面外觀，集成在普通眼鏡片上肉眼難以察覺，同時也可以像傳統AR光學元件那樣控制光線。此外，Metalens用現有的工藝技術就能製作，產能效率足夠高。

總結來講，優勢如下：

1，折射率足夠高（可達2.4），甚至可以控制光線的基本屬性，比如限制光線、光線兩極化和階段、振幅；

2，支持多層疊加；

3，可以克服衍射光波導難以解決的畸變問題；

4，厚度僅600納米（普通透鏡厚度的1/5000），便可將光線波長降低一半（約0.5微米），可與普通眼鏡片集成；

5，成本更低，聚焦效果更好，焦距更長。

使用Metalens重建的全息圖像

除此之外，Metasurface的平面透鏡誤差更小，原因是對於普通透鏡來說，需要將焦點精準定位在3D表面上，也就是在3D空間中折射光線，因此可能出錯的次數為X ，而Metasurface是全平的，出錯的次數為X ，理論上要小得多。

普通透鏡聚焦原理

Metalens聚焦原理

關於應用場景

應用場景方面，Reza表示Metalens/Metasurface可用於攝像頭、醫療手術、自動駕駛汽車（降低雷射雷達體積和成本）和AR/VR眼鏡等場景，而他自己目前專注的領域則更多是沉浸式光學，也就是AR或者VR眼鏡。

目前，Metalens已經可以聚焦整個光譜，支持多色彩顯示（包括白色），達到普通透鏡的效果。未來，會與LCD光源集成，製成完整的光學模組。