超表面 光学自由曲面，新型AR/VR光学元件Metaform诞生

据麦姆斯咨询报道，增强现实和虚拟现实（AR/VR）显示器对新型光学系统的需求，促进了具有非经典光学行为的新型元件（如超表面和光学自由曲面）的研发进展。

使用上述元件可定制小尺寸光学元件，除AR/VR外，对其它有高分辨率要求的应用也颇有吸引力，包括3D视觉、智能手机摄像头和遥感。

美国罗切斯特大学光学研究所主导的一个项目已开发出一种制造方式，结合超表面和光学自由曲面，为设计师提供简化小型光学系统架构的方法。这项研究成果发表在杂志Science Advances。论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabe5112。

该团队论文中指出：“在自由衬底上完成超表面的设计到制造的通用环节还尚未实现，其中超表面相位响应和光学自由曲面形状都被用于成像和像差校正。”

超表面是通过在衬底上制造出亚波长结构实现新型波前控制，影响其表面的反射和折射特性。

光学自由曲面表面，在技术上定义为在正常轴周围没有旋转对称轴的表面，不限于光学形状的经典描述，不完全地分为球体、圆锥体或非球体等。

罗切斯特大学的Jannick Rolland于2013年就罗切斯特大学和北卡罗来纳大学夏洛特分校建立的自由曲面光学中心（CeFO）时评论说：“光学自由曲面一直以虚幻的形式存在，但制造工艺和光学材料的进步让更复杂的光学自由曲面表面的设想变成现实。过去，必须尝试能配合光学设计的制造方法。现在制造工艺领先了，我们正在努力赶上设计数学和计量学。从设计到组装，生产线中只要有一个薄弱环节，生产出来的光学产品就无法达到要求，因此我们需要吸收不同专业知识。”

来自CeFO罗兰研究小组的新项目则代表了这种制造理念的进一步演变，通过电子束光刻（EBL）在自由衬底上进行超表面的制造，两者能够协同工作。团队为元件命名为：Metaform。

Metaform结构

罗兰研究小组的光学工程师Daniel Nikolov表示：“整合光学自由曲面和超表面，了解它们如何与光相互作用并利用这两种技术获得良好的图像，这是一项重大挑战。”

研究小组称，为AR/VR和近眼显示应用设计的尺寸为1.5mm x 2mm的概念验证Metaform镜，采用改进后的电子束光刻，在弯曲的光学自由曲面表面上对银纳米结构进行分布控制。据称，上述工艺非常复杂，这也是首次展示经历数年时间才实现的成果。

利用Metaform镜设计的微型成像仪

在不透明的背板上，该元件成功地表现为反光Metaform。尽管还需要对设计进行修改，才能得到显示架构中的完全透明的Metaform元件。优化后，这些元件可以作为近眼Metaform组合器融入AR眼镜中，将光线从微显示器传输到佩戴者。

CeFo评论道：“当组合器是光学自由曲面的一部分，这种光学器在头部周围弯曲以符合眼镜轮廓时，并非所有的光线都指向眼睛。光学自由曲面无法单独解决这一特定挑战，因此就需要超表面来帮忙了。”

根据罗切斯特大学的数据，仅仅AR/VR眼镜的市场规模就可能达到200亿美元。Metaform的概念及其带来的设计自由度将支持新一代光学系统。

Rolland指出：“这需要团队合作，每一项贡献对项目的成功至关重要。梦想终将成真。”