3D打印低成本制造增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)波導(dǎo)組件

2024年7月16日,，南極熊獲悉，美國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)布了一種改進(jìn)的 3D 打印方法,，實(shí)現(xiàn)了用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示應(yīng)用的光波導(dǎo)組件的批量生產(chǎn),。

相關(guān)研究以題為“Additive 3D printed opticalwaveguide for augmented reality”的論文被發(fā)表在《APL Photonics》期刊上，由Dechuan Sun,、Ranjith R Unnithan等人聯(lián)合撰寫,。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0207125

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 技術(shù)是一種將虛擬信息實(shí)時(shí)集成并疊加到用戶物理世界的技術(shù)，通常通過(guò)光學(xué)透視近眼顯示器實(shí)現(xiàn),。借助近眼設(shè)備,，虛擬信息可以投射到現(xiàn)實(shí)世界的物體上，從而創(chuàng)造一種互動(dòng)體驗(yàn),。這項(xiàng)技術(shù)不僅可用于娛樂(lè),，還可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)和制造過(guò)程。AR 技術(shù)在工業(yè),、駕駛和教育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,，有潛力成為下一代計(jì)算平臺(tái)。

盡管 AR 領(lǐng)域已獲得巨大發(fā)展,，但AR 波導(dǎo)（AR 設(shè)備中的核心光傳輸組件）的大規(guī)模生產(chǎn)卻一直很困難,。為了克服高成本和制造挑戰(zhàn)，Sun 等人優(yōu)化了傳統(tǒng)的幾何波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并考慮了制造成本,，并開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)高效的 3D 打印平臺(tái),，用于其專利制造流程制造集成三個(gè)介電反射器的波導(dǎo)。

研究人員首先使用 COMSOL Multiphysics 中實(shí)現(xiàn)的有限元法優(yōu)化了幾何波導(dǎo)設(shè)計(jì),。幾何 AR 波導(dǎo)的尺寸為 31 × 26 × 3 mm3 ,。利用 3D 打印的三棱鏡有助于將光有效耦合到波導(dǎo)中,。棱鏡相對(duì)于波導(dǎo)底面以 50° 的角度放置。這個(gè)特殊的角度可確保波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射,，從而實(shí)現(xiàn)沿其路徑的最佳光傳輸,。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該設(shè)計(jì)包含三個(gè)介電反射器,，相對(duì)于底面以 25° 的角度集成,，如圖1所示。這些反射器的作用是將光線引導(dǎo)至觀察者的眼睛,。優(yōu)化波導(dǎo)設(shè)計(jì)的主要重點(diǎn)是簡(jiǎn)化制造流程,。

△光線軌跡顯示了光線從耦合光學(xué)器件傳播到用戶眼睛時(shí)的光路、圖像組合和瞳孔擴(kuò)張,。物體（位圖文件）以這樣的方式加載到模型中,，即從物體表面釋放的光線的空間密度與導(dǎo)入的位圖中的值成比例。使用 23,000 條光線生成的圖像平面上的重建圖像顯示了放大,、完美拼接和翻轉(zhuǎn)的圖像。波導(dǎo)的2D 示意圖說(shuō)明了組合器的臨界角和尺寸,。

研究團(tuán)隊(duì)使用經(jīng)濟(jì)高效的 LCD 3D 打印機(jī)制作了后續(xù)的幾何 AR 波導(dǎo)組件,，用 UV 樹(shù)脂粘合了3 個(gè)介電反射器和其他打印組件。他們對(duì)打印工藝的改進(jìn)顯著改善了組件的表面粗糙度,，無(wú)需模塑,、切割和后拋光，從而在保持圖像質(zhì)量的同時(shí)降低了人工成本,。

△經(jīng)過(guò)改裝的打印平臺(tái)和制造過(guò)程,。示意圖展示了經(jīng)過(guò)改裝的 3D 打印平臺(tái)。為了增強(qiáng)光分布均勻性,，在光源前面放置了一個(gè)擴(kuò)散器和一個(gè)吸收器,。此外，在LCD 屏幕頂部放置了另一個(gè)擴(kuò)散器,。波導(dǎo)的頂部和底部組件分別打印在玻璃打印床上,，然后使用 UV 樹(shù)脂與介電反射器集成。

作者 Ranjith Unnithan 表示：“傳統(tǒng) AR 制造技術(shù)的復(fù)雜性及其對(duì)光學(xué)特性的高精度要求已成為克服大規(guī)模生產(chǎn)成本的重大障礙,。我們的原型的成功表明了廣泛應(yīng)用和商業(yè)化的潛力,。”

作者計(jì)劃通過(guò)探索先進(jìn)材料和打印技術(shù)繼續(xù)改進(jìn) AR 設(shè)備的功能,。他們還期待看到 3D 打印光學(xué)器件的更廣泛應(yīng)用,。

論文作者Sun表示：“我們未來(lái)的項(xiàng)目涉及改進(jìn) 3D 打印工藝，以提高波導(dǎo)性能和耐用性,。對(duì)于該領(lǐng)域的其他人來(lái)說(shuō),，研究 3D 打印光學(xué)器件在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用可能是一條有希望的途徑,。”