3D打印低成本制造增強現(xiàn)實波導(dǎo)組件

2024年7月16日，南極熊獲悉，美國知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)布了一種改進的 3D 打印方法，實現(xiàn)了用于增強現(xiàn)實（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

增強現(xiàn)實 (AR) 技術(shù)是一種將虛擬信息實時集成并疊加到用戶物理世界的技術(shù)，通常通過光學(xué)透視近眼顯示器實現(xiàn)。借助近眼設(shè)備，虛擬信息可以投射到現(xiàn)實世界的物體上，從而創(chuàng)造一種互動體驗。這項技術(shù)不僅可用于娛樂，還可以增強學(xué)習(xí)和制造過程。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算平臺。

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，并開發(fā)了一種經(jīng)濟高效的 3D 打印平臺，用于其專利制造流程制造集成三個介電反射器的波導(dǎo)。

研究人員首先使用 COMSOL Multiphysics 中實現(xiàn)的有限元法優(yōu)化了幾何波導(dǎo)設(shè)計。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。棱鏡相對于波導(dǎo)底面以 50° 的角度放置。這個特殊的角度可確保波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，從而實現(xiàn)沿其路徑的最佳光傳輸。為簡單起見，該設(shè)計包含三個介電反射器，相對于底面以 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)計的主要重點是簡化制造流程。

△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的光路、圖像組合和瞳孔擴張。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 示意圖說明了組合器的臨界角和尺寸。

研究團隊使用經(jīng)濟高效的 LCD 3D 打印機制作了后續(xù)的幾何 AR 波導(dǎo)組件，用 UV 樹脂粘合了3 個介電反射器和其他打印組件。他們對打印工藝的改進顯著改善了組件的表面粗糙度，無需模塑、切割和后拋光，從而在保持圖像質(zhì)量的同時降低了人工成本。

△經(jīng)過改裝的打印平臺和制造過程。示意圖展示了經(jīng)過改裝的 3D 打印平臺。為了增強光分布均勻性，在光源前面放置了一個擴散器和一個吸收器。此外，在LCD 屏幕頂部放置了另一個擴散器。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�！�

作者計劃通過探索先進材料和打印技術(shù)繼續(xù)改進 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：“我們未來的項目涉及改進 3D 打印工藝，以提高波導(dǎo)性能和耐用性。對于該領(lǐng)域的其他人來說，研究 3D 打印光學(xué)器件在各個技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用可能是一條有希望的途徑。”