新制备技术让AR眼镜物美价廉

张宇宁团队和立讯精密合作研制的偏振体全息光波导AR眼镜。张宇宁供图

戴上眼镜，在手机App上点击“翻译”“提词”“导航”页卡，发出语音指令，眼前便会依次浮现出一串串实时翻译的对话、演讲提词、车用导航信息。随着头部摆动，这些信息也随之移动，始终保持在眼前。11月15日，在东南大学电子科学与工程学院信息显示与可视化研究院，当记者佩戴起这款利用偏振体全息光波导（PVG）技术研制出的AR眼镜时，未来感扑面而来。

这款AR眼镜于日前正式发布，由该校电子科学与工程学院教授、显示研究院院长张宇宁团队联袂立讯精密工业股份有限公司（以下简称“立讯精密”）自主研发。

“与表面浮雕光栅（SRG）技术相比，PVG技术能让AR眼镜的光效提升至300%，大幅提升了AR眼镜的续航能力和显示亮度，并使前向漏光降低80%，提高了观看的私密性。此外，PVG技术也可以在视场范围较大时，保证画面的连续性与均匀性。”张宇宁说。

为AR眼镜“铸膜”

从外观上看，这款只有45克重的眼镜与日常所用眼镜并无二致，但仔细观察就会发现，这款眼镜在镜片内侧有一块薄薄的透明膜。这片膜，便是该眼镜的关键技术创新点。

“当用手机App向眼镜发出操作指令后，镜腿中的微像元就会将手机中的图像数据发送给镜片中的小光栅，光栅通过光波导片，也就是一种光学膜，将图像投入人眼。”张宇宁解释，光波导片虽然看上去平平无奇，但为了将其制备成型，团队曾面临三项技术挑战。

挑选适合的材料制备AR眼镜的光学膜，是团队要攻克的第一项难题。“目前，国外不少知名品牌的AR眼镜都在探索做远向投影，其中一条路线是利用光致聚合物制备光学膜，但这种膜的性能不够理想。后来团队成员翁一士经过多年研究发现，液晶材料折射率调制度可达0.3，是传统光致聚合物的6—10倍。”张宇宁介绍，调制度的提升，意味着光学视场角度的扩大，可提高用户使用时的沉浸感，进行彩色显示时，不会因为带宽扩大，而影响颜色的均匀度。

但仅发现液晶材料还不够，还要让它“为我所用”。对此，张宇宁团队将液晶材料与其他辅助材料配比，并在不同温度环境下测试，最终确认液晶材料与辅助材料的配比。“现在这款眼镜可以在80摄氏度以下、80%的相对湿度下使用。”张宇宁说。

提升画面显示质量

确定了液晶材料的“C位”身份后，如何设计膜内的三维空间结构，并让液晶材料在光学膜内分布，是制备光学膜要攻克的另外两个关键问题。

张宇宁说：“我们利用干涉曝光方法，通过材料自组装形成液晶分子三维空间结构，实现特定的折射率空间分布，从而控制光的传播，达到显示成像的效果。”

基于液晶材料，设计、加工特定衍射光栅结构，并将图像传导到视网膜上的技术，便是PVG技术。

张宇宁介绍，传统AR眼镜镀膜一般采用SRG技术。二者的区别在于，SRG技术是采用微纳刻蚀与纳米压印方法，让光学材料在基材表面形成基于形貌的周期性结构，而PVG技术则通过全息干涉方法，让光学材料在基材内部形成基于折射率变化的周期性分布。

“SRG技术和PVG技术都是基于光栅衍射和全反射原理传播成像。与SRG技术相比，PVG技术可以更有效地抑制高阶衍射级次，将能量集中于所需的光线偏转角度上，可以最大程度地保证波导的光学传输效率，在降低功耗、提升亮度的同时，能有效抑制当前衍射光波导面临的背向漏光与彩虹效应等瓶颈问题。”张宇宁说。

成果从“书架”到“货架”

在经过10余年的研发后，如何将科研成果从实验室搬到生产线，是张宇宁团队现在要跨过的另一道槛。眼下，张宇宁团队正在搭建镜片中试产线。

如果要实现规模化生产，成本控制是关键。“利用PVG技术制备镜片仅需使用湿法涂布和全息曝光工艺，无需借助光刻、电子束刻蚀、纳米压印等复杂昂贵的微纳加工技术。湿法涂布和全息曝光的制备方式，可大幅降低眼镜的生产成本，提高制备效率，从而确保镜片的制备具有成本优势。与现有的SRG技术相比，PVG技术制备可使AR眼镜成本降低60%，有望推动AR眼镜的大规模商业化生产和普及应用。”张宇宁介绍。

最近，张宇宁团队已与制造业龙头企业立讯精密达成合作，由科研团队加工AR眼镜的光波导镜片，立讯精密将核心元器件整合进眼镜，形成整机应用。

“现在我们和立讯精密等企业合作，进一步联合开发了适用于车载的增强现实显示设备，希望未来能有更多应用场景。”张宇宁说。

东南大学电子科学与工程学院党委书记江雪华介绍，为进一步推进有组织科研，服务国家重大战略，该院围绕微纳材料与器件、智能传感与系统、光电互联与传输、信息显示与成像等4个研究方向，组建了近20个科研团队。而由张宇宁担任院长的信息显示与可视化研究院，便是学院科技创新和产业创新深度融合的试验田。

“我们希望以此为尝试，通过高价值的科技成果产出和高效能的科技成果转化，推动产学研深度合作，为推动学科发展和培育新质生产力作出贡献。”江雪华说。