苹果MR头显的终局——AR眼镜超透镜技术

2023-05-25 14:05

文/VR陀螺冉启行&Bing

2023 年 XR 产业最令人期待的时刻，莫过于即将在 6 月 6 日至 6 月 10 日举行的苹果 WWDC 2023。伴随着国内外产业链越来越多的内幕消息，苹果 MR 头显的已变得“一丝不挂”。

与此同时，苹果 MR 头显的同胞兄弟——AR 眼镜也从远方传来了消息。近日，天风证券分析师郭明錤分享的一份关于苹果将采用超透镜（Metalens）的推文透露，苹果正在开发超透镜技术，最终，将于 2026 年或 2027 年超透镜将用于苹果眼镜。

本文将从苹果 AR 眼镜项目，光学折射原理，超透镜发展简史等进行多角度阐述。

事实：苹果MR头显是AR眼镜的“下位选择”

在了解超透镜之前，先来了解一下苹果对于 AR 眼镜的看法，以及在该项目上的进展情况。

苹果对于 AR 技术的重视毋庸置疑，一个不得不提的事实是——苹果 MR 头显是苹果 AR 眼镜的“下位选择”。

今年 5 月 18 日，据外媒消息，参与苹果 MR 头显七年的苹果开发人士称，库克将展示的设备与他最初的设想相去甚远。苹果的设备最初被设想为一副不起眼的“眼镜”，可以全天佩戴，但现在已经演变成类似于滑雪护目镜的头戴显示器（MR 头显），而且需要单独的电池组。

不管怎样，对于库克来说，这都是一款期待已久的产品，这可能是他作为苹果 CEO 的最后一次大动作，并将影响他的未来，要么给他带来另一项重大成就，要么强调公司最大的胜利是在他的领导下取得的，就像前任苹果联合创始人史蒂夫·乔布斯对世界带来的影响一样。

目前，苹果的 AR 眼镜项目依旧在推进当中，但是由于性能、功耗、体积、光学等问题的制约，苹果内部员工似乎并不看好。一名从事该项目的员工表示，团队中流传着一个笑话，即公司继续开发“无望”的设备只是为了让蒂姆·库克开心。

基于现有的开发进度，据透露，苹果 AR 眼镜最快将在四年后才能推出，即 2027 年。诚然，苹果的 AR 眼镜也许并没有那么快出现，但是整个 AR 眼镜产品的理想形态与技术路径却是绝对清晰与正确的，它所带来的巨大潜力市场也定能会引起科技界的又一次穿戴式、交互式、计算机技术革命。

苹果 AR 眼镜被认为是苹果公司未来最具潜力和影响力的产品之一，也是苹果公司进入下一个十年的重要布局。

苹果选择“超透镜”技术，XR下一代光学革命

正如那些“看不见”未来的员工所言，要想制造出一款成功的 AR 眼镜，并不是一件容易的事情。AR 眼镜需要满足很多方面的要求，例如轻便、舒适、美观、耐用、安全、智能等。而在这些诉求中，最核心也最困难的就是光学技术。

光学技术是指用于将虚拟图像投射到用户眼前，并与现实场景融合的技术，它决定了AR 眼镜的视觉效果和用户体验。而在光学技术中，最关键也最复杂的就是透镜。

透镜是 AR 眼镜中的重要组成部分，它的作用是将显示器上的图像聚焦到用户的眼睛，形成清晰的视觉效果。然而，目前使用的透镜都是厚重而笨拙的曲面透镜，它们不仅增加了 AR 眼镜的体积和重量，还会造成一些视觉上的不适，例如色差、畸变、眼睛疲劳等。

为解决这些问题，苹果公司选择了一种新型的透镜技术——超透镜（Metalens）。

超透镜是一种利用纳米结构来聚焦光线的平面透镜，它可以将传统的曲面透镜替换为厚度仅为人类头发丝几分之一的薄片。超透镜不仅可以大大减轻 XR 头戴式产品的重量和体积，还可以提高图像的质量和分辨率，避免色差和畸变等问题。

当然，超透镜技术不仅可以解决 XR 产品的光学问题，还能解决各类电子数码产品，如手机，相机等产品的光学镜头凸出问题，优化光学。所以，近年来，关于超透镜技术的投资也非常之多。

2022 年 6 月，超表面光子芯片商天津山河光电科技有限公司宣布已完成由舜宇产业基金和经纬创投联合领投，老股东中科创星持续跟投的数千万元 Pre-A 轮融资；今年 4 月，专注于为 AR 眼镜研发硅基光学超透镜的 Imagia 宣布，已完成由 Gates Frontier 领投，MetaVC Partners 和其他投资者参投的 450 万美元融资......

利用折射定律，设计各式各样的光学透镜

那么，超透镜是如何实现这些技术优势，吸引这些庞大的资本的呢？要回答这个问题，我们首先要了解一下光学的基本原理。光学是指研究光线的产生、传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象的科学。而在光学中，最基本也最重要的概念就是折射定律。

1621 年，荷兰数学家威里布里德·斯涅尔首次发明了折射定律（也叫斯涅尔定律），折射定律是指当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生偏离原来方向的现象，这种现象就叫做折射。折射定律可以用以下公式表示：

其中，n1 和 n2 分别表示两种介质的折射率，θ1 和 θ2 分别表示光线在两种介质中的入射角和折射角。折射率是指光在真空中传播速度与在某种介质中传播速度之比，它反映了介质对光线的影响程度。一般来说，折射率越大，说明介质对光线的影响越大，光线在该介质中传播速度越慢，折射角越小。

根据折射定律，我们可以知道，当光线从一种折射率较小的介质进入另一种折射率较大的介质时，会向法线方向偏折；反之，则会向法线方向背离。而当入射角等于临界角时，光线会沿着界面传播，不再进入另一种介质；当入射角大于临界角时，则会发生全反射现象，即光线完全反弹回原来的介质。

利用折射定律，我们就可以设计出各种各样的透镜来改变光线的方向和焦点。透镜是指具有曲面或平面的透明物体，它可以使通过它的光线发生偏转或聚焦。根据透镜形状和功能的不同，透镜可以分为以下几种：

凸透镜：指两面都是凸曲面或一面是凸曲面一面是平面的透镜。凸透镜可以使平行于主轴（即透镜中心垂直于两个曲面或平面的直线）的光线汇聚于焦点（即与主轴相交且距离透镜中心一定距离的点），因此也叫做会聚透镜。

凹透镜：指两面都是凹曲面或一面是凹曲面一面是平面的透镜。凹透镜可以使平行于主轴的光线发散于焦点（即与主轴相交且距离透镜中心一定距离的点），因此也叫做发散透镜。

平行平板：指两面都是平行平面的透明物体。平行平板可以使通过它的光线保持原来的方向和大小不变，但会产生一个与原来位置平行且有一定距离差别的虚像，因此也叫做平移透镜。

传统的透镜都是利用曲面或平面来改变光线的方向和焦点，但这种方法有一个缺点，就是会产生色散。色散是指由于不同颜色的光在不同介质中传播速度不同，导致白光在通过透镜时会发生分解，即不同颜色的光无法在同一点聚焦。这就会导致图像出现彩虹般的色彩边缘，降低了图像的清晰度和真实度。

为了消除色散，一种常用的方法是使用复合透镜，即将两种或多种不同材料和形状的透镜组合在一起，使得不同颜色的光经过复合透镜后能够在同一点聚焦。然而，这种方法也有一个缺点，就是会增加透镜的厚度和重量，从而降低了透镜的轻便性和舒适性。

那么，有没有一种方法可以既消除色散，又保持透镜的轻薄呢？答案是有的，那就是超透镜。

广义斯涅尔定律，带来超透镜技术

2011 年，美国哈佛大学 Federico Capasso 教授团队首次提出了“广义斯涅尔定律”，“修订”了原来的定律，以此开始设想一种二维超材料——超表面（Metasurface），与传统的三维材料（天然、超材料）相比，超表面不仅也突破了传统材料电磁参数的局限性，也大幅度缩小了厚度。体积极小，重量轻，易于集成，大幅度降低了电磁波传输损耗，也可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控。

2016 年，基于超表面概念，Federico Capasso 教授团队发明了首个超透镜（Metalenses），展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜。他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm 的点上。与传统透镜相比，Federico Capasso 教授团队使用了一种薄而扁平的结构，具有多个波导（引导电磁波的结构）——类似微小的柱子——由二氧化钛（TiO2）制成的约 600nm 长的特定图案排列而成，将这种波导称为“纳米鳍”。

超透镜是一种利用纳米结构来聚焦光线的平面透镜，它可以将传统的曲面透镜替换为厚度仅为人类头发丝几分之一的薄片。超透镜不仅可以大大减轻 AR 眼镜的重量和体积，还可以提高图像的质量和分辨率，避免色差和畸变等问题。

超透镜示意图，图源：美国哈佛大学

超透镜工作原理：将折射替换为衍射

与传统透镜技术相比，超透镜可以将传统的折射原理替换为衍射原理。

衍射是指当光线遇到具有微小结构或孔洞的物体时，会发生偏离原来方向或分裂成多束光线的现象。衍射可以用以下公式表示：

其中，d 表示物体上微小结构或孔洞的间距，θ 表示衍射角，m 表示衍射级数（整数），λ 表示光线的波长。衍射公式表明，当物体上微小结构或孔洞的间距与光线波长相当时，会产生最强烈的衍射效果。

利用衍射原理，我们就可以设计出各种各样的超透镜来改变光线的方向和焦点。超透镜是由许多纳米尺度的微小结构组成的平面透镜，这些微小结构可以精确地控制光线通过它们时产生的衍射角和相位差。通过合理地排列这些微小结构，我们就可以使不同颜色和方向的光线在同一点聚焦，从而实现对可见光谱（即白光）的全色聚焦。

多年以来，超透镜技术已经在取得了不少重要进展：

2019 年，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）开发了一种基于液晶元件的阿尔瓦雷斯（Alvarez）超透镜，它可以通过改变两个平面液晶元件之间的相对位置来连续调节焦距。这种超透镜可以用来解决沉浸式技术设备中常见的视觉-调节冲突（VAC）问题。
2019 年 5 月，麻省理工学院 (MIT)的数学家公布了他们开发一种计算技术的工作成果，该技术可以快速确定超透镜纳米元素的最佳构成和排列。这将使制造商能够设计超透镜图案以满足特定目标，例如控制颜色或创建不同形状的光束。

来自 NIL Technologies 的绝对效率为 94% 的多元光学元件 (MOE) 透镜

2019 年 7 月，密歇根大学的研究人员宣布了一项新技术，该技术使用一组超透镜将光聚焦成特定图案，而不是单个点。这种方法对任何光束整形应用都有影响，例如激光切割、退火和选择性结晶。
2019 年在 7 月，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学 ( KAUST ) 的研究人员开发了一种扭曲超透镜薄膜的方法，以进一步控制光的特性。例如，他们开发了一种焦距和强度比可控的双焦超透镜。
2021 年，SEAS 团队还开发出一种 2 毫米的无色超透镜，可以无畸变地聚焦 RGB（红色，蓝色，绿色）颜色，并开发了一种用于 VR 和 AR 的小型显示器;2021年，麻省理工学院的科学家开发了一种超透镜，可将入射的 UVA 光转化为真空紫外线 (VUV) 辐射的聚焦输出，这有可能降低半导体制造的复杂性......