在理想的情況下，全天候AR眼鏡外觀應該看起來就像是普通眼鏡，只是在普通眼鏡上加入了AR顯示功能。這種設計似乎很簡單，但實際開發卻很難，因為AR眼鏡在光學等方面還有許多問題需要解決，即使是市面上賣的輕量化AR眼鏡，也能明顯看出與普通眼鏡的區別，更像是更加笨重的墨鏡。僅解決透光性、體積、與普通鏡片集成這些問題，就具有相當大的挑戰。而近期，哥倫比亞大學的一組科研人員展示了一種基于多色超表面的AR光學模組，讓我們看到了AR實現眼睛形態的可能。

據了解，該方案由哥倫比亞工程和應用科學學院的科研人員研發，全名為“基于多層、多微擾非局部超表面結構的多功能諧振波陣面光學形態”，相關論文已經在Light：Science&Applications期刊上發表。論文中描述了一種平面透鏡，外觀看起來足夠透明，可聚焦選定顏色/波長的光。也就是說，對外部環境有高透光性，而且可以和普通屈光鏡片集成，只顯示投射在上面的特定AR光線。

AR光學難題

科研人員指出，目前AR眼鏡的一個主要問題是，不得不在圖像清晰度和透光率之間做權衡。為了增強AR與物理環境光之間的對比度，一些AR眼鏡廠商采用透光率較低的光學模組，或是尋找提升顯示模組亮度的方案。比如Google Glass就是采用一種半反半透式棱鏡的方案，缺點是亮度低，并扭曲了AR和環境光。

而一些采用衍射光柵圖案的光波導AR方案，由于光線透過光波導會被光柵結構散射、分散，也存在外部場景變暗、扭曲的問題。尤其是為了處理微型投影模組發射的不同顏色光波而疊加多組光柵時，失真效果更嚴重。

如果AR圖像與外部環境完美融合，才可以更好的滿足很多AR應用的需求。比如在可視化導航時，可在物理環境中清楚的疊加AR指示，或是為飛行員、士兵、外科醫生提供實時的AR數據，同時還可以清楚的透過周圍的環境信息，不干擾使用者進行其他工作，或是在移動過程中看清楚周圍環境。

也就是說，AR光學模組不僅要能透過整個光譜的可見光，還需要充當高效透鏡，將投影模組的光聚焦在人眼中，形成清晰的AR圖像。

基于超表面原理

圖注：諧振輻射超透鏡的實驗結果；最左為超透鏡處理不同波長光線的過程，包括聚焦綠色，以及在無失真的情況下透過其他顏色；中間圖描繪了在超透鏡的納米硅薄膜上蝕刻的矩形孔徑；右圖則顯示了超透鏡中心和邊緣的SEM（掃描電子顯微鏡）成像。

據了解，哥倫比亞大學科研人員研發的超表面光學結構由散射式二維陣列組成，這種二維陣列又被稱為光學天線，可看作是一種具有納米級尺寸的微型無線電天線。超表面的一個關鍵特征，就是其光學散射體在光學上是不同的，也就是說超表面可散射的光具有不同幅度、相位或偏振，因此可引入根據空間變化的光學響應，控制光的方式非常靈活。

超表面的另一個優勢是體積更小，相比之下傳統光學方案需要更大的3D光學組件、設備才能聚焦、控制光束或在集成光子芯片上切換光學信號。通常，超表面結構僅支持局部響應，即通過每個超單元獨立響應來調整波陣面。相比之下，非局部超表面的特點是有多個超單元集體驅動光學響應。

這項方案采用非局部的超表面結構，這種結構可以特定的方式操控不同波長的光束，目標波長外的光束不受影響。另外，它可以將特定的顏色在不同波長上獨立聚焦，在空間和光譜范圍控制光束。

科研人員指出，非局部超表面模組可分別作為匯聚透鏡和凹透鏡，不僅可以將光聚焦在一種顏色上，也可以將光束分散為第二種顏色，而對于目標光譜外的光束則可保持透光，就像是一塊沒有團的玻璃板。通過仔細選擇初始光子晶體（PhC）的幾何形狀，光學模組可實現對波長的選擇性，并根據所選顏色去雕刻波陣面。

根據作者描述，這是目前為止，支持最多波長（4個不同波長）的多功能、最多色的超透鏡。

新型AR透鏡

據悉，該AR透鏡的波陣面基于超表面結構，具有可聚焦特定波長的波陣面，因此可控制光在自由空間和光波導中的傳播。

由于該方案的平面特性，可采取玻璃材質。另外，該方案僅聚焦部分窄頻色彩，而光譜中的其他大多數頻段的色彩將直接透過。也就是說，可以顯示比較純粹的RGB AR圖像，同時又能比較清晰的透過周圍環境光。

科研人員指出，這個光學模組外觀看起來完全透明，就像是一塊簡單的玻璃，直到你用具備正確波長的光束照射它，它就會變成一塊透鏡，聚焦特定的色彩。

總之，波長可選擇、波陣面可塑的非局部超表面是一個有前景的AR解決方案，可應用于多種場景，比如車載AR HUD、AR眼鏡等等。這種多色超表面鏡片的厚度比頭發絲還細，可以和輕量化的AR眼鏡很好的結合。參考：Columbia University