【中国科技网】东南大学团队研制出首款PVG光波导AR眼镜

科技日报记者 金凤

戴上眼镜，在手机APP上点击“翻译”“提词”“导航”页卡，发出语音指令，眼前便凌空浮现出一串串实时翻译的对话、演讲提词、车用导航信息。随着头部的摆动，这些信息也随之移动，始终在眼前定格。10月28日，在东南大学电子科学与工程学院信息显示与可视化研究院，当记者佩戴起这款依托偏振体全息光波导（PVG）技术研制出的AR眼镜时，未来感扑面而来。

这是近日由东南大学正式发布的一款AR眼镜，由该校电子科学与工程学院教授、显示研究院院长张宇宁团队联袂立讯精密工业股份有限公司（以下简称“立讯精密”）自主研发。

“与表面浮雕光栅（SRG）技术相比，使用PVG技术制备的AR眼镜，光效提升至300%，可以大幅提升产品续航能力和显示亮度；同时，前向漏光降低了80%，提升了观看的私密性。此外，PVG技术也可以在出现较大的视场范围时，保证画面的连续性与均匀性。”张宇宁说。

张宇宁团队和立讯精密合作研制的偏振体全息光波导AR眼镜。张宇宁供图

为AR眼镜“铸膜”

从外观上看，这款只有45克重的眼镜与日常所用眼镜并无二致，但细细看去会发现，在镜片内侧有一块薄薄的透明膜。而这片膜，便是这副眼镜的关键技术创新点。

“当用手机APP发出操作指令后，镜腿中的微像元就会将手机中的图像数据发送到镜片中的小光栅，光栅通过光波导片，也就是这片光学膜，将图像投入人眼。”张宇宁解释，这片光学膜虽然看上去平平无奇，但要制备成型，团队突破了三项技术挑战。

挑选适合的材料制备AR眼镜的光学膜，这是团队要攻克的第一项难题。“目前，国外不少知名品牌的AR眼镜都在探索做远向投影，其中一种路线是利用光致聚合物制备光学膜，但这种膜的性能不够理想。后来团队中的翁一士博士经过多年研究发现，液晶材料折射率调制度可达0.3，是传统光致聚合物的6—10倍。”张宇宁介绍，调制度的提升，意味着光学视场角度的扩大，会提高用户使用的沉浸感，特别是做彩色显示的时候，不会因为带宽扩大，而影响颜色的均匀度。

但仅发现液晶材料还不够，还要让它“为我所用”。对此，张宇宁团队将液晶材料与其他辅助材料配比，并在不同温度环境下测试，最终确认液晶材料与辅助材料的配比。“现在这款眼镜可以在80摄氏度以下、80%的相对湿度下使用。”张宇宁说。

张宇宁团队依托偏振体全息光波导技术研制的AR眼镜。张宇宁供图

提升画面显示质量

确定了液晶材料的“C位”身份后，如何设计膜内的三维空间结构，并让液晶材料在光学膜内分布，是制备光学膜所需攻克的另外两个关键问题。

张宇宁说：“我们利用干涉曝光的方法，通过材料自组装形成液晶分子三维空间结构，实现特定的折射率空间分布，从而控制光的传播，达到显示成像的效果。”

基于液晶材料，设计、加工特定衍射光栅结构，并将图像传导到视网膜上的技术，便是偏振体全息光波导（PVG）技术。

张宇宁介绍，传统AR眼镜镀膜一般采用表面浮雕光栅（SRG）技术。二者的区别在于，SRG技术是采用微纳刻蚀与纳米压印方法，让光学材料在基材表面形成基于形貌的周期性结构，而PVG技术则通过全息干涉方法，让光学材料在基材内部形成基于折射率变化的周期性分布。

“SRG技术和PVG技术都是基于光栅衍射和全反射原理传播成像。与SRG技术相比，PVG技术可以更有效地抑制高阶衍射级次，将能量集中于所需的光线偏转角度上，可以最大程度地保证波导的光学传输效率，在降低功耗、提升亮度的同时，也能有效抑制当前衍射光波导面临的背向漏光与彩虹效应等瓶颈问题。”张宇宁说。

成果从书架到货架

在经过十余年的研发后，如何将科研成果从实验室搬到生产线，是张宇宁团队现在要跨过的另一道槛。眼下，张宇宁团队正为镜片的生产搭建中试产线。

如果要实现规模化生产，成本控制也是关键。“PVG技术的主要制备工艺仅需使用湿法涂布和全息曝光，无需借助光刻、电子束刻蚀、纳米压印等复杂昂贵的微纳加工技术。湿法涂布和全息曝光的制备方式，可大幅降低眼镜的生产成本，提高制备效率，从而确保镜片的制备具有成本优势。与现有的SRG技术相比，PVG技术制备的AR眼镜，成本可降低60%，有望推动AR眼镜的大规模商业化生产和普及应用。”张宇宁介绍。

为了将基于PVG技术制备的AR眼镜尽快推向市场，张宇宁团队目前已经成立公司，并与东南大学商定，将团队持有的知识产权作价入股，其中团队持股超95%，东南大学持股约1.9%，社会资本持股约2.6%。

“知识产权的界定，可以让我们心无旁骛地推动产业化进程。”张宇宁所言非虚，最近，他的团队已与制造业龙头企业立讯精密达成合作，由科研团队加工AR眼镜的光波导镜片，立讯精密将核心元器件整合进眼镜，形成整机应用。

“现在我们和立讯精密等企业合作，进一步联合开发基于树脂材料的、曲面基底的，以及适用于车载的增强现实显示，希望未来能有更多应用场景。”张宇宁说。

东南大学电子科学与工程学院党委书记江雪华介绍，为进一步推进有组织科研，服务国家重大战略，该院围绕微纳材料与器件、智能传感与系统、光电互联与传输、信息显示与成像等4个研究方向，已经组建了近20个科研团队。而由张宇宁担任院长的信息显示与可视化研究院，便是学院科技创新和产业创新深度融合的试验田。

“我们希望以此为尝试，通过高价值的科技成果产出和高效能的科技成果转化，推动产学研深度合作，为推动学科发展和培育新质生产力作贡献。”江雪华说。