張宇寧團隊和立訊精密合作研製的偏振體全息光波導AR眼鏡。張宇寧供圖
戴上眼鏡，在手機App上點擊“翻譯”“提詞”“導航”頁卡，發出語音指令，眼前便會依次浮現出一串串實時翻譯的對話、演講提詞、車用導航資訊。隨著頭部擺動，這些資訊也隨之移動，始終保持在眼前。11月15日，在東南大學電子科學與工程學院資訊顯示與可視化研究院，當記者佩戴起這款利用偏振體全息光波導（PVG）技術研製出的AR眼鏡時，未來感撲面而來。
這款AR眼鏡于日前正式發佈，由該校電子科學與工程學院教授、顯示研究院院長張宇寧團隊聯袂立訊精密工業股份有限公司（以下簡稱“立訊精密”）自主研發。
“與表面浮雕光柵（SRG）技術相比，PVG技術能讓AR眼鏡的光效提升至300%，大幅提升了AR眼鏡的續航能力和顯示亮度，並使前向漏光降低80%，提高了觀看的私密性。此外，PVG技術也可以在視場範圍較大時，保證畫面的連續性與均勻性。”張宇寧説。
為AR眼鏡“鑄膜”
從外觀上看，這款只有45克重的眼鏡與日常所用眼鏡並無二致，但仔細觀察就會發現，這款眼鏡在鏡片內側有一塊薄薄的透明膜。這片膜，便是該眼鏡的關鍵技術創新點。
“當用手機App向眼鏡發出操作指令後，鏡腿中的微像元就會將手機中的圖像數據發送給鏡片中的小光柵，光柵通過光波導片，也就是一種光學膜，將圖像投入人眼。”張宇寧解釋，光波導片雖然看上去平平無奇，但為了將其製備成型，團隊曾面臨三項技術挑戰。
挑選適合的材料製備AR眼鏡的光學膜，是團隊要攻克的第一項難題。“目前，國外不少知名品牌的AR眼鏡都在探索做遠向投影，其中一條路線是利用光致聚合物製備光學膜，但這種膜的性能不夠理想。後來團隊成員翁一士經過多年研究發現，液晶材料折射率調製度可達0.3，是傳統光致聚合物的6—10倍。”張宇寧介紹，調製度的提升，意味著光學視場角度的擴大，可提高用戶使用時的沉浸感，進行彩色顯示時，不會因為頻寬擴大，而影響顏色的均勻度。
但僅發現液晶材料還不夠，還要讓它“為我所用”。對此，張宇寧團隊將液晶材料與其他輔助材料配比，並在不同溫度環境下測試，最終確認液晶材料與輔助材料的配比。“現在這款眼鏡可以在80攝氏度以下、80%的相對濕度下使用。”張宇寧説。
提升畫面顯示品質
確定了液晶材料的“C位”身份後，如何設計膜內的三維空間結構，並讓液晶材料在光學膜內分佈，是製備光學膜要攻克的另外兩個關鍵問題。
張宇寧説：“我們利用干涉曝光方法，通過材料自組裝形成液晶分子三維空間結構，實現特定的折射率空間分佈，從而控制光的傳播，達到顯示成像的效果。”
基於液晶材料，設計、加工特定衍射光柵結構，並將圖像傳導到視網膜上的技術，便是PVG技術。
張宇寧介紹，傳統AR眼鏡鍍膜一般採用SRG技術。二者的區別在於，SRG技術是採用微納刻蝕與奈米壓印方法，讓光學材料在基材表面形成基於形貌的週期性結構，而PVG技術則通過全息干涉方法，讓光學材料在基材內部形成基於折射率變化的週期性分佈。
“SRG技術和PVG技術都是基於光柵衍射和全反射原理傳播成像。與SRG技術相比，PVG技術可以更有效地抑制高階衍射級次，將能量集中于所需的光線偏轉角度上，可以最大程度地保證波導的光學傳輸效率，在降低功耗、提升亮度的同時，能有效抑制當前衍射光波導面臨的背向漏光與彩虹效應等瓶頸問題。”張宇寧説。
成果從“書架”到“貨架”
在經過10餘年的研發後，如何將科研成果從實驗室搬到生産線，是張宇寧團隊現在要跨過的另一道檻。眼下，張宇寧團隊正在搭建鏡片中試産線。
如果要實現規模化生産，成本控制是關鍵。“利用PVG技術製備鏡片僅需使用濕法涂布和全息曝光工藝，無需借助光刻、電子束刻蝕、奈米壓印等複雜昂貴的微納加工技術。濕法涂布和全息曝光的製備方式，可大幅降低眼鏡的生産成本，提高製備效率，從而確保鏡片的製備具有成本優勢。與現有的SRG技術相比，PVG技術製備可使AR眼鏡成本降低60%，有望推動AR眼鏡的大規模商業化生産和普及應用。”張宇寧介紹。
最近，張宇寧團隊已與製造業龍頭企業立訊精密達成合作，由科研團隊加工AR眼鏡的光波導鏡片，立訊精密將核心元器件整合進眼鏡，形成整機應用。
“現在我們和立訊精密等企業合作，進一步聯合開發了適用於車載的增強現實顯示設備，希望未來能有更多應用場景。”張宇寧説。
東南大學電子科學與工程學院黨委書記江雪華介紹，為進一步推進有組織科研，服務國家重大戰略，該院圍繞微納材料與器件、智慧傳感與系統、光電互聯與傳輸、資訊顯示與成像等4個研究方向，組建了近20個科研團隊。而由張宇寧擔任院長的資訊顯示與可視化研究院，便是學院科技創新和産業創新深度融合的試驗田。
“我們希望以此為嘗試，通過高價值的科技成果産出和高效能的科技成果轉化，推動産學研深度合作，為推動學科發展和培育新質生産力作出貢獻。”江雪華説。
(責任編輯：沈曄)