研究人員利用 3D 打印技術(shù)開發(fā)用于 AR 的低成本光波導(dǎo)

2025年7月31日，南極熊獲悉，來自墨爾本大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種低成本的液體幾何波導(dǎo)組合器原型，可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 應(yīng)用。組合器原型通過集成硅油和PolyJet 3D打印技術(shù)，簡化了生產(chǎn)流程，取代了傳統(tǒng)光學(xué)組合器中復(fù)雜的制造步驟。

研究成果以題為“Design and fabrication of a low-cost liquid optical waveguide for augmented reality”的論文發(fā)表在《Springer Nature》期刊上。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1038/s44172-025-00469-4

幾何波導(dǎo)是AR近眼顯示器的關(guān)鍵組件，能夠?qū)⑻摂M內(nèi)容以光學(xué)方式疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上。傳統(tǒng)的制造方法包括切割、層壓和拋光帶有反射涂層的堆疊玻璃基板，這些工序都需要高精度和大量的人工。墨爾本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的液體波導(dǎo)完全避免了這些步驟，它通過將充滿硅油的3D打印框架密封在蓋玻片之間，并將介質(zhì)反射器插入預(yù)設(shè)的插槽中。

原型尺寸為長 38 毫米、寬 28.5毫米、厚 3.2 毫米。一個(gè)傾斜角為 50° 的三棱鏡用于將光耦合到波導(dǎo)中，而三個(gè)平行的介質(zhì)反射器（間距為 2.024 毫米，相對于底座成 25° 角）將光線重新導(dǎo)向觀察者。這些結(jié)構(gòu)特征使用COMSOL Multiphysics的有限元射線光學(xué)模塊進(jìn)行了優(yōu)化。光學(xué)仿真證實(shí)，全內(nèi)反射保持了光傳輸效率，棋盤格圖像通過準(zhǔn)直透鏡投射并在模擬視網(wǎng)膜上重建。

△使用COMSOL 對所提出的波導(dǎo)進(jìn)行光學(xué)模擬。圖片來自 Springer Nature。

工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)制造商Stratasys提供了用于制造的PolyJet平臺(tái)。研究人員使用了J826系統(tǒng)，搭配透明RGD810樹脂和水溶性SUP707支撐材料。打印床上鋪有一層氟化乙烯丙烯薄膜或平板玻璃，以確保表面光滑。打印的反射器插入槽的寬度范圍為165 µm至200 µm，其中180µm為最佳對準(zhǔn)寬度。打印的反射器厚度為175 µm�？變�(nèi)設(shè)有直徑0.5 mm的通風(fēng)孔，以便在組裝過程中輔助硅油注入和空氣置換。

在顯微鏡下，使用精密鑷子插入介質(zhì)帶通濾光片。利用天花板燈光反射目視檢查反射器之間的平行度，并使用分辨率為 1 µm 的顯微鏡載物臺(tái)在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行距離測量。盡管此過程耗時(shí)較長，但研究人員建議在早期階段省略檢查，并用目視檢查技術(shù)取而代之。更精確的對準(zhǔn)方法，例如激光自準(zhǔn)直儀或斐索干涉儀，被認(rèn)為是未來需要改進(jìn)的領(lǐng)域。

框架用三片0.1毫米厚的蓋玻片密封，經(jīng)等離子清洗后，在受控壓力下用UV環(huán)氧樹脂粘合。密封后，使用27號(hào)針頭和注射泵將粘度為20 cSt的硅油以0.2毫升/分鐘的流速注入波導(dǎo)。并用UV樹脂密封通風(fēng)孔。所選用的硅油具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，折射率為1.41，在20°C溫度范圍內(nèi)臨界角變化僅為0.28°。

△透射率測量。圖片來自 Springer Nature。

使用 Cytoviva 高光譜顯微鏡進(jìn)行光學(xué)特性分析。反射器透射率在 400-700 nm 可見光譜范圍內(nèi)，0° 入射時(shí)下降 3%，25° 入射時(shí)平均下降 2%。使用 Bruker Dimension Icon 原子力顯微鏡測量表面粗糙度，反射器的均方根粗糙度 (Rq) 值為 1.4 nm，蓋玻片為1.3 nm。以每度 15 次循環(huán)的頻率評估調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF) 性能，結(jié)果顯示透視模式下保留率為 70%，虛擬圖像模式下保留率為 24%。

通過將反射光投射到距離眼瞳平面 25 厘米的目標(biāo)板上，測量的水平和垂直視場分別為 19.52° 和 12.56°。由于僅使用三個(gè)反射器，視場范圍在水平方向上被限制在約 1 毫米，在垂直方向上被限制在約 2 毫米。研究人員指出，增加反射器數(shù)量可以擴(kuò)大視場范圍和視場，但會(huì)導(dǎo)致更大的光學(xué)損耗和更高的功耗。

反射效率測量是在暗室中使用單色CMOS傳感器間接進(jìn)行的。研究團(tuán)隊(duì)將投影儀的原始光輸出與波導(dǎo)的重定向光進(jìn)行了比較。記錄的效率分別為460 nm處4.48%、515 nm處4.49%和625 nm處4.56%。

△所制備波導(dǎo)的光學(xué)性能。圖片來自 Springer Nature。

手動(dòng)組裝在精確切割和插入反射器且不造成損壞方面存在挑戰(zhàn)。盡管勞動(dòng)密集型，但當(dāng)前的組裝流程可以快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)迭代。整個(gè)流程包括約 3 小時(shí)的 3D 打印、2 小時(shí)的后處理和 4 小時(shí)的手動(dòng)組裝�？偛牧铣杀居�(jì)算為 18 美元，其中包括 12 美元的反射器、3.30 美元的設(shè)備使用費(fèi)、1.10 美元的樹脂、0.70 美元的硅油和 0.60 美元的蓋玻片。

為了解決液體介質(zhì)的熱膨脹問題（估計(jì)為 900 ppm/°C），設(shè)計(jì)包含可選的氣穴，以防止壓力積聚。這些氣泡會(huì)上升到頂部，并隱藏在上部密封區(qū)域。此前，人們曾討論過更昂貴的高折射率透明液體（例如顯微鏡浸油）作為替代方案，但這些液體的成本對于原型制作來說過高。

波導(dǎo)性能也可能受到投影系統(tǒng)選擇的限制。研究團(tuán)隊(duì)使用了標(biāo)準(zhǔn)的LCoS投影儀，可能無法與棱鏡的瞳孔位置最佳對齊，從而可能縮小有效視場。未來，他們提出了定制設(shè)計(jì)的投影儀方案。

△使用LCD UV 打印機(jī)和定制設(shè)計(jì)的自動(dòng)波導(dǎo)組裝系統(tǒng)打印的樣品。圖片來自 Springer Nature。

德國光子自動(dòng)化公司FiconTEC與研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一套定制波導(dǎo)組裝系統(tǒng)，集成了龍門系統(tǒng)、壓力傳感反射器拾取器、紫外線膠水制備平臺(tái)以及用于對準(zhǔn)的高分辨率成像系統(tǒng)。這套系統(tǒng)目前正在評估，旨在支持基于本研究中專利波導(dǎo)的可擴(kuò)展生產(chǎn)。

為了簡化操作，作者選擇玻璃作為腔體密封材料，并指出透射率穩(wěn)定在 93%。他們推薦使用藍(lán)寶石作為未來的潛在替代品，因?yàn)樗{(lán)寶石具有較高的硬度和耐刮擦性。其他改進(jìn)措施包括添加 MgF₂/SiO₂ 等防反射涂層，以減少更寬視角下的反射損失。

參與本項(xiàng)目的研究人員隸屬于墨爾本大學(xué)電氣與電子工程系、醫(yī)學(xué)系神經(jīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和KDHAdvanced Research Pty Ltd。