超表面波导赋能 AR | 攻克色散与视场角难题

原文标题：“An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays” 

第一作者：Zhongtao Tian

通讯作者：Xiao Wei Sun

在增强现实（AR）领域，物理载体方案的选择至关重要。其中，衍射光波导凭借与眼镜极为相似的外形和轻盈的重量，成为热门之选。其工作机制为，先将图像信息巧妙地耦入波导，随后利用全反射原理在波导中传播，最后精准地耦出至人眼，从而实现信息的清晰显示。

然而，色散现象犹如一只拦路虎。由于不同颜色的光，诸如红、绿、蓝，其波长各异，在传播过程中会产生不同的偏转角度，进而引发恼人的颜色错位问题，常见的如红蓝图像分离。

即便采用了特殊设计和工程优化手段，实际显示的颜色均匀性仍不理想，视场角也受到较大限制。当前普遍的做法是采用三个波导分别处理红（R）、绿（G）、蓝（B）三色信号，这无疑使得系统复杂度大幅提升，原本引以为傲的重量优势也逐渐消失殆尽。此前有文章探讨过超表面在增强现实中的应用，主要依靠构建多层结构来增强设计的灵活性，以达成所需的色散控制目标。但这种复杂的结构不仅对制造工艺提出了极高要求，还会对其他性能指标产生不利影响。

图1 消色差超表面耦合器及AR系统（来自原文）

那么，有没有能够突破困境的良策呢？答案是肯定的。在这篇文章里，作者创新性地提出了一种基于超表面波导的 AR 系统（系统架构可参考图 1）。此系统的关键构成部分包括输入超表面耦合器、输出超表面耦合器以及一个平面波导。传统超表面因采用一阶衍射方式，会产生与波长紧密相关的偏转角，这是导致色差产生的根源。但作者团队另辟蹊径，如果巧妙利用不同波长光的不同偏转角特性，将各色光束巧妙地偏转到相同角度，就能成功攻克色差难题。

需注意的是，色差对视场角大小有着显著影响。传统波导的视场角受限于 RGB 波长差异，导致色差问题频发，同时视野范围也随之缩小。而作者提出的消色差超表面波导则巧妙地通过选择特定的衍射级次（例如，让红光取 4 级、绿光取 5 级、蓝光取 6 级），使得视场角仅由波导折射率决定，不再受波长因素干扰，最终成功实现了高达 45° 的大视场角。

图2 色差产生分析及改善（来自原文）

不过，作者也坦言，尽管光栅方程能够明确衍射方向，却无法有效指定所需和不需要的阶次之间的功率分配。在波导 AR 显示中，耦合效率均匀性差仍是一个亟待解决的关键挑战，在视场角边缘约 40° 的位置附近，这一问题表现得更为突出。

图3 消色差效果及效率（来自原文）

关于超表面的几何形貌，作者团队是通过 RCWA 计算获取的。他们将目标衍射效率与计算得出的衍射效率之间的差距，作为优化过程中的评价函数，借助逆向设计方法成功得到了超表面结构。从实验数据来看，入射耦合器的平均效率约为 5%，出射耦合器的 0 级平均效率达到 80%，高阶衍射的平均效率则为 2%。

最后，相信大家都对 AR 的显示效果充满好奇，让我们一起欣赏其精彩呈现吧！

图4 AR显示效果（来自原文）