自2011年谷歌发布首款增强现实（AR）智能眼镜产品（ Glass）以来，多家公司相继推出面向企业和普通消费者的智能眼镜和头戴式设备版本。 尽管业界对此类设备的功能和应用潜力的兴趣仍然很高，但大众市场消费者的采用却进展缓慢。 许多专家和分析师一致认为，此类设备的尺寸、体积和外观是一大阻碍。

头戴式 AR/MR 设备和智能眼镜的示例。 从左上角顺时针方向依次为：微软2（图片©微软）、Vuzix新一代智能眼镜（图片©Vuzix）、小米智能眼镜（图片来源：来源）和联想A3智能眼镜（图片©联想）。

AR、MR（合并或混合现实）设备和智能眼镜在企业应用中一直畅销。 例如，耳机在制造、培训、医疗、军事应用等应用中具有很高的渗透率。 但到目前为止，消费者对此类设备的反应一直不冷不热。 事实上，70% 的美国消费者1 不确定增强现实是什么（尽管他们可能在移动设备上使用 AR/MR 照片滤镜进行娱乐或玩过 Pokémon Go 游戏）。 显然，AR/MR行业未来仍需要做一些消费者教育和营销工作。 另一个障碍是，市场上仍然没有能够实现产品突破的“杀手级应用”。

AR/MR 设备在消费者中采用缓慢的另一个因素是设备本身。 “许多技术问题阻碍了AR/VR设备的广泛使用，尤其是光学架构带来的瓶颈。 例如，当前头戴式 AR 设备的外形尺寸受到笨重的折射光学器件以及目镜和显示器之间间隙的限制。 距离。 另一个问题是折射镜片可能会产生色差，导致成像质量较差，并导致在不同放大倍率下出现不同颜色的显示图像。 此外，光引擎中复杂的光学系统（例如投影复合镜头）也很常见。” 2

最近的趋势终于为解决这些挑战指明了方向。 现在，先进的波导技术、微显示器和超透镜为制造商提供了开发更小、更轻的 AR/MR 智能眼镜和耳机的潜力，以吸引普通消费者用户。 在这篇博文中，我们探讨了新兴的超透镜纳米技术。

超表面和超镜头

超透镜是一种由纳米级超表面层制成的平面透镜技术，可聚焦和散射光。 超表面由以不同形式排列的微小柱子（也称为天线或纳米鳍）组成。 这些 3D 纳米结构的特殊排列改变了入射光波的偏振、强度、相位和方向。 光波可以通过超表面结构聚焦成几乎任何形式。 超透镜比传统玻璃透镜薄得多，这为使各种光学设备比以往更小、更轻开辟了许多新的可能性。

示意图：超透镜如何折射光线。 （图片来源：和）

AR/MR 设备中的超透镜

过去18个月，AR/VR/MR应用（统称为XR）的超透镜技术领域取得了新的发展和突破，包括：

超表面和全息图。 韩国首尔国立大学（首尔）的一个团队一直在研究超表面全息图和超透镜。 他们开发了一种新的超表面，“可以控制整个空间的光。通过利用这个平台，我们可以演示独立的全息图像以及传输和反射的光束偏转。” 3

同时，他们还开发了“一种根据入射角再现不同全息图的装置”4和双合态超透镜，其中“一侧用于校正色差和单色像差，另一侧用于校正色差”可见光谱。” 三基色经过聚焦和过滤。 这种双合态超透镜可以校正目标颜色的像差，并具有高数值孔径 (NA)。 最后，具有高数值孔径的超透镜目镜可实现紧凑的系统，将真实场景与虚拟图像相结合。 此外，我们的超透镜具有广阔的视野，可以克服现有 AR 设备的缺点。” 5 了解更多…

消色差且无像差的 RGB 超透镜。 哈佛大学的一个团队开发了一种消色差超透镜，可以无色差地聚焦 RGB（红、绿、蓝）颜色。 超透镜直径为 2 毫米，是虚拟现实和增强现实应用中使用的微显示器的核心组件。 “该实验室之前发明了可在整个可见光谱范围内工作的消色差超镜头，这在以前只能通过堆叠多个镜头才能实现。” 6

这项发明“使该技术能够在与AR/VR系统相关的范围内工作。这种新的光学系统解决了传统镜头中常见的色差问题。此外，平面光学元件的使用使得光学系统的重量更轻”和可扩展的制造。” 7

新显示器的“设计灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像技术，该技术使用光纤穿过压电管。当压电管上施加电压时，光纤尖端将向各个方向移动（上、下、左和右）显示图形以形成微显示器。” 8 提供高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域。 了解更多…

示意图：哈佛大学研发的AR/VR 显示器在VR或AR平台上的应用。 超透镜将直接放置在眼睛前面，显示器将位于超透镜的焦平面中。 显示器扫描的图形将借助超透镜聚焦在视网膜上，形成虚拟图像。 （图片来源）

将配备 的 XR 设备推向市场

超表面技术的最新进展为未来头戴式 XR 设备带来了超薄、轻量、扁平超透镜的前景。 在 AR 设备中，超透镜直接放置在人眼前方，显示器位于超透镜的焦平面内。 来自显示器的光通过超透镜聚焦到视网膜上，形成虚拟图像，叠加在用户通过智能眼镜看到的真实场景上。

各种超透镜纳米结构图案的示例。 （图片来源）

虽然超镜头有优势，但其光学效率低于传统镜头，人眼会观察到亮度、对比度和清晰度下降。 更不用说，在如此小的组件上放置纳米级结构是多么困难。 另外，如果超透镜制造不精确，就会产生色差和波像差。 人眼会观察到强度分布差、颜色不均匀、透明度低。 为了成功地将用于 XR 显示器的超透镜商业化，制造商必须仔细设计设备并执行严格的测试。

确保超透镜光学的光学质量：

MTF测试

通过执行MTF（调制传递函数）测试，我们可以了解光学元件在光传输和反射方面的表现如何，以及这如何影响人眼对最终图像清晰度的感知。 提供以下三种MTF测试方法：

MTF 测量可用于分析超透镜的成像质量（它产生预期图像的效果如何）。 显微镜是测试 MTF 的理想选择，主要是因为超透镜非常小。 为了隔离超透镜进行测量，我们可以使用 LED 光源照亮组件，然后使用配备标准镜头或显微镜头的成像系统来获取输出图像以进行 MTF 分析。

AR设备中使用的透视超透镜的测量结果样本，显示了不同波长的光的强度和MTF值。 （图片来源：）

上面的数据样本显示了不同波长的光的强度和 MTF 值如何受到超透镜特性的影响。 下图显示红色波长的光具有最低的 MTF 值。 这意味着红色虚像将不太清晰。 通过使用可量化的数据来分析MTF，可以帮助指导开发人员改进设备设计。 为 XR 设备提供视觉检测工具库，包括专门开发的独特 MTF 分析工具，用于表征 AR/MR 显示器产生的光质量，并提供精确的数据点以了解超感性能对视觉元素的影响。 。

MTF测量图显示红色图像不太清晰，而蓝色图像最清晰。

XR设备检测解决方案

的新型 XRE 镜头提供灵活的解决方案，用于测量 XR 光学元件的完整生态系统，包括超透镜和 XR 设备的各种光学配置。 正在申请专利的镜头设计采用了独特的内部对焦机制和电子控制装置，可立即将所连接的成像系统的焦点调整到多个焦平面。 将 XRE 镜头与 ® 成像色度计或光度计以及 ™ 软件中的 TT-ARVR™ 模块配对，可用于测量内置于各种 XR 设备中的显示器的视觉性能。

的XRE镜头解决方案，其中折叠配置可与I成像色度计（后部）一起使用，展开配置可与Y成像光度计（前部）一起使用。

的视觉检测和测量解决方案组合为 AR/VR/MR 设备内置的所有光学组件提供有效的质量评估解决方案，从显示器、波导和超透镜到用于眼睛和手势跟踪的红外传感器，一直到最终组装，可以从用户视觉感知的角度准确评估耳机内的所有可见组件。

的 XR 设备测量解决方案套件包括 ® 成像光度计和色度计、™ 软件、显微镜镜头、与 TT-NIRI™ 软件结合的 NIR 强度测量镜头，以及与 TT -ARVR™ 软件结合的 AR/VR 镜头或 XRE 镜头。

引文

1.“你知道的关键（AR）”，. ：IB时报、、、BPC。 （2022 年 7 月 7 日）

2. Z. Li 等人，“A-Based (VR) / (AR)”，2020 on and – (CLEO)，2020，第 1-2 页，IEEE。

3. B. Lee 等人。 “AR/VR”，Proc。 SPIE 12019，人工智能和数据 III，，2022 年 3 月。DOI：10.1117/12。

4.同上。

5.同上。

6. Z. Li 等人，“Meta- RGB- for”，第 7(5) 卷，2021 年 1 月 27 日。DOI：10.1126/。

7.同上。

8. L，“A for and”，John A of and，新闻与。 2021 年 27 日。

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致力于与世界一流品牌和制造商合作，为客户提供创造性的视觉检测解决方案，帮助他们提高产品质量、降低生产成本并增强客户满意度。 在亮度和色度成像方面的技术创新和全球安装基础可以追溯到 30 多年前，解决了消费电子、汽车制造和许多其他行业的广泛应用问题。 的产品线包括 ™ 用于质量控制的自动视觉检测软件和 ® 成像色度计、光度计和光源测量系统。 总部位于美国华盛顿州雷德蒙德，并在加利福尼亚州和密歇根州、中国、韩国和越南设有战略办事处。 自2015年8月起，并入柯尼卡美能达株式会社传感部门( )。 欲了解更多信息，请访问公司网站：