搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第134期，對話西湖大學(xué)國強(qiáng)光學(xué)工程講席教授、副校長、工學(xué)院院長仇旻。

嘉賓簡介：

仇旻，西湖大學(xué)國強(qiáng)光學(xué)工程講席教授、副校長、工學(xué)院院長，西湖大學(xué)光電研究院院長。歐洲科學(xué)院外籍院士、歐洲科學(xué)與藝術(shù)院外籍院士、國家杰出青年基金獲得者。主要研究方向?yàn)槲⒓{光電子學(xué)，包括微納加工技術(shù)及儀器裝備、微納光子理論及光電器件、面向智能應(yīng)用的關(guān)鍵理論與技術(shù)等。

• 碳化硅有優(yōu)異的材料折射率、低密度（輕）、高硬度（堅(jiān)固耐用），同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和穩(wěn)定性。

• 在AR光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，中國不僅沒有落后，在某些關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)上走在了世界前列。

• 單層衍射光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一片鏡片就能完成紅、綠、藍(lán)三色光的耦合和傳導(dǎo)，是AR鏡片實(shí)現(xiàn)極致輕薄的關(guān)鍵。

• 將厚度僅0.2毫米的菲涅爾鏡片與0.75毫米的碳化硅波導(dǎo)直接貼合，形成一個(gè)整體，但功能路徑獨(dú)立。

• 隨著供應(yīng)鏈的成熟和產(chǎn)量的提升，未來有信心將成本控制在大眾可接受的范圍內(nèi)。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

想象一下，如果一副AR眼鏡的鏡片像信用卡一樣薄，不僅能消除常見的“彩虹偽影”問題，還能和超薄近視鏡合二為一，會是怎樣的效果？

近日，西湖大學(xué)仇旻教授團(tuán)隊(duì)就成功研制出了這樣的鏡片，該項(xiàng)研究成果已被國際頂級期刊eLight錄用。這篇論文首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種超輕、超薄且可量產(chǎn)的碳化硅衍射光波導(dǎo)，為消費(fèi)級AR眼鏡的發(fā)展掃清了關(guān)鍵障礙。

對此，搜狐科技對話了西湖大學(xué)國強(qiáng)光學(xué)工程講席教授、副校長和工學(xué)院院長仇旻，聽他講述這項(xiàng)研究成果的意義、科學(xué)原理以及未來的應(yīng)用方向。

當(dāng)碳化硅遇上“納米壓印剝離”工藝

AR技術(shù)被普遍認(rèn)為是繼個(gè)人電腦、智能手機(jī)之后的下一代計(jì)算平臺，將會深刻變革人與信息的交互方式。但硬件瓶頸的限制，讓AR設(shè)備遲遲未能商用落地。用戶普遍抱怨現(xiàn)有的AR設(shè)備太重、佩戴不舒服，特別是‘彩虹偽影’無法得到有效解決，嚴(yán)重影響沉浸感。

既然AR光波導(dǎo)是制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在，仇旻團(tuán)隊(duì)決定集中力量攻克這個(gè)難題。

他們利用碳化硅這種新材料和創(chuàng)新的制造工藝，開發(fā)出了一種“理想鏡片”的解決方案，解決了設(shè)備笨重、視覺有干擾（彩虹偽影）和規(guī)?；慨a(chǎn)困難這三個(gè)核心難題。

為什么選擇以碳化硅為材料？仇旻表示：“傳統(tǒng)AR的波導(dǎo)主要使用高折射率玻璃，這種材料在性能提升上已經(jīng)逼近極限，而且難以兼顧輕薄化和高質(zhì)量成像。而碳化硅是一種潛力巨大的光電平臺材料。”

在他看來，碳化硅擁有三個(gè)核心優(yōu)勢。第一，材料優(yōu)異的折射率，結(jié)合仇旻團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的光柵設(shè)計(jì)，可以從根本上消除由環(huán)境光經(jīng)過衍射光柵時(shí)產(chǎn)生的雜散光從而引起的“彩虹偽影”問題。

第二，體積更輕薄。在相同全彩顯示的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，更薄的單層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)過去需要多層玻璃波導(dǎo)才能達(dá)到的效果。

第三個(gè)優(yōu)勢是碳化硅非常堅(jiān)固耐用，可以充當(dāng)散熱組件將光機(jī)熱量導(dǎo)走，高熱導(dǎo)率和材料穩(wěn)定性也為制造兼具熱調(diào)控功能的可靠鏡片提供了保障。

解決了材料選擇的問題，規(guī)?；圃斓墓に嚻款i仍需突破。碳化硅硬度極高，傳統(tǒng)干法刻蝕難以加工納米光柵，為此仇旻團(tuán)隊(duì)專門開發(fā)了“納米壓印剝離”工藝，巧妙解決了這一難題。

“‘納米壓印’技術(shù)，就像蓋章一樣，將設(shè)計(jì)好的納米光柵圖案批量化地‘印’在基底上，然后，通過蒸鍍和剝離技術(shù)，在壓印的圖案上形成一層高精度的金屬掩模，最后再以這層掩模為保護(hù)進(jìn)行刻蝕。”仇旻講述道。

（圖片來自論文）

在AR領(lǐng)域投入最大的Meta公司，基于碳化硅波導(dǎo)的原型機(jī)（Orion）也證明了這一技術(shù)路線的潛力。不過，Meta的方案采用了復(fù)雜的雙面結(jié)構(gòu)，制造工藝難度大、良率低、成本高。這也是遲遲沒有規(guī)?；慨a(chǎn)的重要原因。

仇旻表示：“從這個(gè)意義上講，在AR光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，我們不僅沒有落后，而且在某些關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)上已經(jīng)走在了世界前列。”

在材料和結(jié)構(gòu)上做“減法”

這種AR眼鏡的鏡片重量僅有3.795克，厚度薄至0.75毫米，為了實(shí)現(xiàn)這一突破，仇旻團(tuán)隊(duì)在材料上和結(jié)構(gòu)上都做了“減法”。

“材料上，我們用性能更優(yōu)越的碳化硅替代了傳統(tǒng)光學(xué)玻璃，結(jié)構(gòu)上，我們利用碳化硅的高折射率優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了單層衍射光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一片鏡片就能完成紅、綠、藍(lán)三色光的耦合和傳導(dǎo)。”

這種從“多層”到“單層”的跨越，是鏡片實(shí)現(xiàn)極致輕薄的關(guān)鍵。畢竟傳統(tǒng)方案為了實(shí)現(xiàn)全彩顯示，通常需要將2-3片玻璃波導(dǎo)疊加在一起，導(dǎo)致厚度和重量增加。

“彩虹偽影”的根源在于環(huán)境光經(jīng)過傳統(tǒng)多層光波導(dǎo)的衍射光柵時(shí)發(fā)生的雜散光，而單層碳化硅波導(dǎo)設(shè)計(jì)可以從物理層面解決這個(gè)問題。

由于只有一個(gè)衍射層，而且結(jié)構(gòu)也經(jīng)過精心優(yōu)化，就可以將環(huán)境光的衍射偏離人眼接收范圍，也就不會產(chǎn)生“惱人”的彩虹條紋了。

鑒于碳化硅材料本身優(yōu)異的折射率和極低的光損耗，再加上在光柵的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了大量的仿真和優(yōu)化，都使得光能的利用效率最大化，最終測試數(shù)據(jù)可以達(dá)到1238.10 nit/lm（光效單位，數(shù)值越高表示 “單位光通量下的亮度越強(qiáng)”），光效較主流商用產(chǎn)品提升72%，這意味著同樣的功耗下，畫面更亮、視覺更清晰。

與超薄的菲涅爾處方鏡片（螺紋透鏡）“二合一”時(shí)，又該如何確保屈光矯正和AR成像互不干擾呢？

對此，仇旻表示：“屈光矯正和AR成像在光學(xué)上是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，菲涅爾鏡片負(fù)責(zé)矯正人眼的屈光不正，比如近視，它改變的是通過鏡片的現(xiàn)實(shí)世界光線，而碳化硅波導(dǎo)則負(fù)責(zé)將微型光機(jī)產(chǎn)生的虛擬數(shù)字圖像精準(zhǔn)地投射到人眼可視范圍。”

將厚度僅0.2毫米的菲涅爾鏡片與0.75毫米的碳化硅波導(dǎo)直接貼合，形成一個(gè)整體。由于兩者都極其輕薄，且功能路徑獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)在物理上集成，在光學(xué)上互不干擾。

“我們的實(shí)驗(yàn)包括圖像清晰度測試，已經(jīng)充分驗(yàn)證了這種‘二合一’方案的可行性和高質(zhì)量成像效果?！背饡F說。

（圖片來自論文）

不過，科研的道路從來不是一帆風(fēng)順的。

仇旻稱，他們遇到的最大瓶頸是碳化硅的納米級精密加工問題。最初他們嘗試了很多種傳統(tǒng)的刻蝕方案，但效果都不理想，要么刻蝕選擇比不夠，要么無法實(shí)現(xiàn)大面積的均勻性，而這直接關(guān)系到技術(shù)能否從實(shí)驗(yàn)室走向工廠。

為了解決這一難題，仇旻團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多輪頭腦風(fēng)暴和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終摒棄了“硬碰硬”的思路，創(chuàng)新性地提出了“納米壓印剝離”這一新工藝，最終成功在4英寸的晶圓上實(shí)現(xiàn)了高保真度的納米光柵制造。

未來成本將控制在可接受范圍內(nèi)

談到這，大家最關(guān)心的還是量產(chǎn)和價(jià)格的問題。

對此，仇旻表示：“目前我們開發(fā)的全套技術(shù)，從材料、設(shè)計(jì)到‘納米壓印剝離’工藝，都具備了規(guī)模化量產(chǎn)的能力，并且已經(jīng)開始供應(yīng)給業(yè)內(nèi)數(shù)家頭部企業(yè)進(jìn)行評估和產(chǎn)品開發(fā)。”

至于具體的上市時(shí)間，取決于合作伙伴的產(chǎn)品定義和市場策略?！暗珮酚^地講，技術(shù)上的主要障礙已經(jīng)基本解決?！背饡F如是說。

這種AR眼鏡初期價(jià)格可能會定位于高端消費(fèi)市場，與目前主流的旗艦AR眼鏡相當(dāng)。基于晶圓級的制造工藝，具有巨大的成本下降潛力，預(yù)隨著供應(yīng)鏈的成熟和產(chǎn)量的提升，未來成本將控制在大眾可接受的范圍內(nèi)。

這種輕便、高清的AR鏡片應(yīng)用場景非常廣闊，仇旻分享了未來這款鏡片最先落地的三大應(yīng)用場景。

信息提示與導(dǎo)航肯定是最高頻、最實(shí)用的需求，比如，在日常行走或駕駛中，可以將導(dǎo)航信息、消息提醒、實(shí)時(shí)翻譯等內(nèi)容直接疊加在視野中。

其次，可以用在工業(yè)與專業(yè)培訓(xùn)方面，提升工作效率和準(zhǔn)確性。比如，工程師可以實(shí)時(shí)看到設(shè)備維修圖紙和數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以在手術(shù)中看到患者的關(guān)鍵生命體征。

最后就是在文旅與娛樂方面的應(yīng)用。比如，在博物館，游客可以看到文物的歷史重現(xiàn)；在演唱會或體育賽事中，觀眾可以獲得定制化的信息和互動(dòng)體驗(yàn)，創(chuàng)造全新的娛樂模式。

下一步，仇旻團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)嘗試突破核心光學(xué)性能，比如進(jìn)一步拓寬視場角，提升光學(xué)效率，讓AR的視覺體驗(yàn)無限接近真實(shí)世界。

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