一种被称为 "元表面 "的纳米光子光学元件来印制自由形状的光学元件

在200亿美元的AR/VR眼镜市场，"形象 "就是一切。消费者正在寻找结构紧凑、易于佩戴的眼镜，用社会可接受的光学技术提供高质量的图像。罗切斯特大学光学研究所的研究人员想出了一种新技术，以最大的效果提供这些属性。在《科学进展》杂志的一篇论文中，他们描述了用一种被称为 "元表面 "的纳米光子光学元件来印制自由形状的光学元件。

元表面是在金属薄膜上的一个名副其实的微小银纳米级结构的森林，在这一进展中，它符合光学元件的自由形状，实现了研究人员称之为元形的新光学元件。

该微小银纳米级结构能够违背传统的反射定律，收集从各个方向进入AR/VR目镜的可见光，并将它们直接重定向到人眼。量子光学和量子物理学教授尼克-瓦米瓦卡斯（Nick Vamivakas）将这种纳米级结构比作小规模的无线电天线，当我们启动设备并以正确的波长照射它时，所有这些天线开始振荡，辐射出一种新的光线，将我们想要的图像送到下游。

这种光学元件可以应用于任何镜子或镜头，已经在其他类型的元件中找到了应用，如传感器和移动相机。研究人员目标是将进入AR/VR眼镜的可见光导向眼睛。新设备使用一个自由空间的光学组合器来帮助做到这一点。然而，当组合器是自由曲面光学的一部分，围绕头部弯曲以符合眼镜格式时，并非所有的光都被引导到眼睛。单纯的自由曲面光学技术不能解决这个具体的挑战。

自由曲面光学是一种新兴技术，它使用表面在光学直径内外缺乏对称轴的透镜和镜子来创造比以往更轻、更紧凑、更有效的光学设备。其应用包括三维成像和可视化、增强和虚拟现实、红外和军事光学系统、高效汽车和LED照明、能源研究、遥感、半导体制造和检测以及医疗和辅助技术。

罗兰德、鲍尔和自由曲面光学中心的合作者最近在《Optica》上发表了一篇论文，概述了这项技术，包括无旋转对称性镜片的早期发展；自由曲面光学的设计、制造、测试和装配；基础理论和对未来的展望。这就是为什么研究人员必须利用元表面来构建一个新的光学元件。整合这两种技术，即自由曲面和元曲面，了解它们如何与光互动，并利用这一点来获得良好的图像，这是一个重大挑战。

这种系统实际的聚焦装置直径约为2.5毫米。但即使是这样，也比印在自由形状的光学元件上的最小的纳米结构大一万倍。从设计的角度来看，这意味着要改变自由形态透镜的形状，并将纳米结构分布在透镜上，使它们两者协同工作，得到一个具有良好光学性能的光学装置。

Rolland小组的光学工程师Aaron Bauer找到一种方法来规避在光学设计软件中无法直接指定元表面的情况，他们使用了不同的软件程序来实现一个集成的元面设备。其中制造是令人生畏的。它需要使用电子束光刻技术，其中电子束被用来切割需要沉积银纳米结构的薄膜元表面部分。用电子束在弯曲的自由曲面上进行书写是不典型的，需要开发新的技术。

研究人员在密歇根大学的Lurie纳米加工设施使用了一台JEOL电子束光刻（EBL）机器。为了在一个弯曲的自由曲面光学元件上写入元表面，他们首先使用激光探针测量系统创建了一个自由曲面的三维地图。然后将三维地图编入JEOL机器，以指定每个纳米结构需要在什么高度制造。研究人员经过多次迭代过程，成功实现了制造。

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