文/VR陀螺 冉啟行&Bing

2023 年 XR 產(chǎn)業(yè)最令人期待的時(shí)刻，莫過(guò)于即將在 6 月 6 日至 6 月 10 日舉行的蘋果 WWDC 2023。伴隨著國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈越來(lái)越多的內(nèi)幕消息，蘋果 MR 頭顯的已變得“一絲不掛”。

與此同時(shí)，蘋果 MR 頭顯的同胞兄弟——AR 眼鏡也從遠(yuǎn)方傳來(lái)了消息。近日，天風(fēng)證券分析師郭明錤分享的一份關(guān)于蘋果將采用超透鏡（Metalens）的推文透露，蘋果正在開發(fā)超透鏡技術(shù)，最終，將于 2026 年或 2027 年超透鏡將用于蘋果眼鏡。

本文將從蘋果 AR 眼鏡項(xiàng)目，光學(xué)折射原理，超透鏡發(fā)展簡(jiǎn)史等進(jìn)行多角度闡述。

 事實(shí)：蘋果MR頭顯是AR眼鏡的“下位選擇”

在了解超透鏡之前，先來(lái)了解一下蘋果對(duì)于 AR 眼鏡的看法，以及在該項(xiàng)目上的進(jìn)展情況。

蘋果對(duì)于 AR 技術(shù)的重視毋庸置疑，一個(gè)不得不提的事實(shí)是——蘋果 MR 頭顯是蘋果 AR 眼鏡的“下位選擇”。

今年 5 月 18 日，據(jù)外媒消息，參與蘋果 MR 頭顯七年的蘋果開發(fā)人士稱，庫(kù)克將展示的設(shè)備與他最初的設(shè)想相去甚遠(yuǎn)。蘋果的設(shè)備最初被設(shè)想為一副不起眼的“眼鏡”，可以全天佩戴，但現(xiàn)在已經(jīng)演變成類似于滑雪護(hù)目鏡的頭戴顯示器（MR 頭顯），而且需要單獨(dú)的電池組。

不管怎樣，對(duì)于庫(kù)克來(lái)說(shuō)，這都是一款期待已久的產(chǎn)品，這可能是他作為蘋果 CEO 的最后一次大動(dòng)作，并將影響他的未來(lái)，要么給他帶來(lái)另一項(xiàng)重大成就，要么強(qiáng)調(diào)公司最大的勝利是在他的領(lǐng)導(dǎo)下取得的，就像前任蘋果聯(lián)合創(chuàng)始人史蒂夫·喬布斯對(duì)世界帶來(lái)的影響一樣。

目前，蘋果的 AR 眼鏡項(xiàng)目依舊在推進(jìn)當(dāng)中，但是由于性能、功耗、體積、光學(xué)等問(wèn)題的制約，蘋果內(nèi)部員工似乎并不看好。一名從事該項(xiàng)目的員工表示，團(tuán)隊(duì)中流傳著一個(gè)笑話，即公司繼續(xù)開發(fā)“無(wú)望”的設(shè)備只是為了讓蒂姆·庫(kù)克開心。

基于現(xiàn)有的開發(fā)進(jìn)度，據(jù)透露，蘋果 AR 眼鏡最快將在四年后才能推出，即 2027 年。誠(chéng)然，蘋果的 AR 眼鏡也許并沒(méi)有那么快出現(xiàn)，但是整個(gè) AR 眼鏡產(chǎn)品的理想形態(tài)與技術(shù)路徑卻是絕對(duì)清晰與正確的，它所帶來(lái)的巨大潛力市場(chǎng)也定能會(huì)引起科技界的又一次穿戴式、交互式、計(jì)算機(jī)技術(shù)革命。

蘋果 AR 眼鏡被認(rèn)為是蘋果公司未來(lái)最具潛力和影響力的產(chǎn)品之一，也是蘋果公司進(jìn)入下一個(gè)十年的重要布局。

 蘋果選擇“超透鏡”技術(shù)，XR下一代光學(xué)革命

正如那些“看不見(jiàn)”未來(lái)的員工所言，要想制造出一款成功的 AR 眼鏡，并不是一件容易的事情。AR 眼鏡需要滿足很多方面的要求，例如輕便、舒適、美觀、耐用、安全、智能等。而在這些訴求中，最核心也最困難的就是光學(xué)技術(shù)。

光學(xué)技術(shù)是指用于將虛擬圖像投射到用戶眼前，并與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景融合的技術(shù)，它決定了AR 眼鏡的視覺(jué)效果和用戶體驗(yàn)。而在光學(xué)技術(shù)中，最關(guān)鍵也最復(fù)雜的就是透鏡。

透鏡是 AR 眼鏡中的重要組成部分，它的作用是將顯示器上的圖像聚焦到用戶的眼睛，形成清晰的視覺(jué)效果。然而，目前使用的透鏡都是厚重而笨拙的曲面透鏡，它們不僅增加了 AR 眼鏡的體積和重量，還會(huì)造成一些視覺(jué)上的不適，例如色差、畸變、眼睛疲勞等。

為解決這些問(wèn)題，蘋果公司選擇了一種新型的透鏡技術(shù)——超透鏡（Metalens）。

超透鏡是一種利用納米結(jié)構(gòu)來(lái)聚焦光線的平面透鏡，它可以將傳統(tǒng)的曲面透鏡替換為厚度僅為人類頭發(fā)絲幾分之一的薄片。超透鏡不僅可以大大減輕 XR 頭戴式產(chǎn)品的重量和體積，還可以提高圖像的質(zhì)量和分辨率，避免色差和畸變等問(wèn)題。

當(dāng)然，超透鏡技術(shù)不僅可以解決 XR 產(chǎn)品的光學(xué)問(wèn)題，還能解決各類電子數(shù)碼產(chǎn)品，如手機(jī)，相機(jī)等產(chǎn)品的光學(xué)鏡頭凸出問(wèn)題，優(yōu)化光學(xué)。所以，近年來(lái)，關(guān)于超透鏡技術(shù)的投資也非常之多。

2022 年 6 月，超表面光子芯片商天津山河光電科技有限公司宣布已完成由舜宇產(chǎn)業(yè)基金和經(jīng)緯創(chuàng)投聯(lián)合領(lǐng)投，老股東中科創(chuàng)星持續(xù)跟投的數(shù)千萬(wàn)元 Pre-A 輪融資；今年 4 月，專注于為 AR 眼鏡研發(fā)硅基光學(xué)超透鏡的 Imagia 宣布，已完成由 Gates Frontier 領(lǐng)投，MetaVC Partners 和其他投資者參投的 450 萬(wàn)美元融資......

 利用折射定律，設(shè)計(jì)各式各樣的光學(xué)透鏡

那么，超透鏡是如何實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，吸引這些龐大的資本的呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先要了解一下光學(xué)的基本原理。光學(xué)是指研究光線的產(chǎn)生、傳播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象的科學(xué)。而在光學(xué)中，最基本也最重要的概念就是折射定律。

1621 年，荷蘭數(shù)學(xué)家威里布里德·斯涅爾首次發(fā)明了折射定律（也叫斯涅爾定律），折射定律是指當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生偏離原來(lái)方向的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就叫做折射。折射定律可以用以下公式表示：

其中，n1 和 n2 分別表示兩種介質(zhì)的折射率，θ1 和 θ2 分別表示光線在兩種介質(zhì)中的入射角和折射角。折射率是指光在真空中傳播速度與在某種介質(zhì)中傳播速度之比，它反映了介質(zhì)對(duì)光線的影響程度。一般來(lái)說(shuō)，折射率越大，說(shuō)明介質(zhì)對(duì)光線的影響越大，光線在該介質(zhì)中傳播速度越慢，折射角越小。

根據(jù)折射定律，我們可以知道，當(dāng)光線從一種折射率較小的介質(zhì)進(jìn)入另一種折射率較大的介質(zhì)時(shí)，會(huì)向法線方向偏折；反之，則會(huì)向法線方向背離。而當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，光線會(huì)沿著界面?zhèn)鞑ィ辉龠M(jìn)入另一種介質(zhì)；當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，則會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，即光線完全反彈回原來(lái)的介質(zhì)。

利用折射定律，我們就可以設(shè)計(jì)出各種各樣的透鏡來(lái)改變光線的方向和焦點(diǎn)。透鏡是指具有曲面或平面的透明物體，它可以使通過(guò)它的光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)或聚焦。根據(jù)透鏡形狀和功能的不同，透鏡可以分為以下幾種：

• 凸透鏡：指兩面都是凸曲面或一面是凸曲面一面是平面的透鏡。凸透鏡可以使平行于主軸（即透鏡中心垂直于兩個(gè)曲面或平面的直線）的光線匯聚于焦點(diǎn)（即與主軸相交且距離透鏡中心一定距離的點(diǎn)），因此也叫做會(huì)聚透鏡。
• 凹透鏡：指兩面都是凹曲面或一面是凹曲面一面是平面的透鏡。凹透鏡可以使平行于主軸的光線發(fā)散于焦點(diǎn)（即與主軸相交且距離透鏡中心一定距離的點(diǎn)），因此也叫做發(fā)散透鏡。
• 平行平板：指兩面都是平行平面的透明物體。平行平板可以使通過(guò)它的光線保持原來(lái)的方向和大小不變，但會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)位置平行且有一定距離差別的虛像，因此也叫做平移透鏡。

傳統(tǒng)的透鏡都是利用曲面或平面來(lái)改變光線的方向和焦點(diǎn)，但這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是會(huì)產(chǎn)生色散。色散是指由于不同顏色的光在不同介質(zhì)中傳播速度不同，導(dǎo)致白光在通過(guò)透鏡時(shí)會(huì)發(fā)生分解，即不同顏色的光無(wú)法在同一點(diǎn)聚焦。這就會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)彩虹般的色彩邊緣，降低了圖像的清晰度和真實(shí)度。

為了消除色散，一種常用的方法是使用復(fù)合透鏡，即將兩種或多種不同材料和形狀的透鏡組合在一起，使得不同顏色的光經(jīng)過(guò)復(fù)合透鏡后能夠在同一點(diǎn)聚焦。然而，這種方法也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是會(huì)增加透鏡的厚度和重量，從而降低了透鏡的輕便性和舒適性。

那么，有沒(méi)有一種方法可以既消除色散，又保持透鏡的輕薄呢？答案是有的，那就是超透鏡。

 廣義斯涅爾定律，帶來(lái)超透鏡技術(shù)

2011 年，美國(guó)哈佛大學(xué) Federico Capasso 教授團(tuán)隊(duì)首次提出了“廣義斯涅爾定律”，“修訂”了原來(lái)的定律，以此開始設(shè)想一種二維超材料——超表面（Metasurface），與傳統(tǒng)的三維材料（天然、超材料）相比，超表面不僅也突破了傳統(tǒng)材料電磁參數(shù)的局限性，也大幅度縮小了厚度。體積極小，重量輕，易于集成，大幅度降低了電磁波傳輸損耗，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光振幅、相位、偏振等參量的靈活調(diào)控。

2016 年，基于超表面概念，F(xiàn)ederico Capasso 教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了首個(gè)超透鏡（Metalenses），展示了首個(gè)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有效工作的超透鏡。他們?cè)O(shè)計(jì)的超透鏡可以將光聚焦到一個(gè)直徑約400nm 的點(diǎn)上。與傳統(tǒng)透鏡相比，F(xiàn)ederico Capasso 教授團(tuán)隊(duì)使用了一種薄而扁平的結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)波導(dǎo)（引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)）——類似微小的柱子——由二氧化鈦（TiO2）制成的約 600nm 長(zhǎng)的特定圖案排列而成，將這種波導(dǎo)稱為“納米鰭”。

超透鏡是一種利用納米結(jié)構(gòu)來(lái)聚焦光線的平面透鏡，它可以將傳統(tǒng)的曲面透鏡替換為厚度僅為人類頭發(fā)絲幾分之一的薄片。超透鏡不僅可以大大減輕 AR 眼鏡的重量和體積，還可以提高圖像的質(zhì)量和分辨率，避免色差和畸變等問(wèn)題。

超透鏡示意圖，圖源：美國(guó)哈佛大學(xué)

 超透鏡工作原理：將折射替換為衍射

與傳統(tǒng)透鏡技術(shù)相比，超透鏡可以將傳統(tǒng)的折射原理替換為衍射原理。

衍射是指當(dāng)光線遇到具有微小結(jié)構(gòu)或孔洞的物體時(shí)，會(huì)發(fā)生偏離原來(lái)方向或分裂成多束光線的現(xiàn)象。衍射可以用以下公式表示：

其中，d 表示物體上微小結(jié)構(gòu)或孔洞的間距，θ 表示衍射角，m 表示衍射級(jí)數(shù)（整數(shù)），λ 表示光線的波長(zhǎng)。衍射公式表明，當(dāng)物體上微小結(jié)構(gòu)或孔洞的間距與光線波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)烈的衍射效果。

利用衍射原理，我們就可以設(shè)計(jì)出各種各樣的超透鏡來(lái)改變光線的方向和焦點(diǎn)。超透鏡是由許多納米尺度的微小結(jié)構(gòu)組成的平面透鏡，這些微小結(jié)構(gòu)可以精確地控制光線通過(guò)它們時(shí)產(chǎn)生的衍射角和相位差。通過(guò)合理地排列這些微小結(jié)構(gòu)，我們就可以使不同顏色和方向的光線在同一點(diǎn)聚焦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光譜（即白光）的全色聚焦。

多年以來(lái)，超透鏡技術(shù)已經(jīng)在取得了不少重要進(jìn)展：

• 2019 年，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）開發(fā)了一種基于液晶元件的阿爾瓦雷斯（Alvarez）超透鏡，它可以通過(guò)改變兩個(gè)平面液晶元件之間的相對(duì)位置來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)焦距。這種超透鏡可以用來(lái)解決沉浸式技術(shù)設(shè)備中常見(jiàn)的視覺(jué)-調(diào)節(jié)沖突（VAC）問(wèn)題。
• 2019 年 5 月，麻省理工學(xué)院 (MIT)的數(shù)學(xué)家公布了他們開發(fā)一種計(jì)算技術(shù)的工作成果，該技術(shù)可以快速確定超透鏡納米元素的最佳構(gòu)成和排列。這將使制造商能夠設(shè)計(jì)超透鏡圖案以滿足特定目標(biāo)，例如控制顏色或創(chuàng)建不同形狀的光束。

來(lái)自 NIL Technologies 的絕對(duì)效率為 94% 的多元光學(xué)元件 (MOE) 透鏡

2019 年 7 月，密歇根大學(xué)的研究人員宣布了一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)使用一組超透鏡將光聚焦成特定圖案，而不是單個(gè)點(diǎn)。這種方法對(duì)任何光束整形應(yīng)用都有影響，例如激光切割、退火和選擇性結(jié)晶。

2019 年在 7 月，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué) ( KAUST ) 的研究人員開發(fā)了一種扭曲超透鏡薄膜的方法，以進(jìn)一步控制光的特性。例如，他們開發(fā)了一種焦距和強(qiáng)度比可控的雙焦超透鏡。

2021 年，SEAS 團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出一種 2 毫米的無(wú)色超透鏡，可以無(wú)畸變地聚焦 RGB（紅色，藍(lán)色，綠色）顏色，并開發(fā)了一種用于 VR 和 AR 的小型顯示器;2021年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)了一種超透鏡，可將入射的 UVA 光轉(zhuǎn)化為真空紫外線 (VUV) 輻射的聚焦輸出，這有可能降低半導(dǎo)體制造的復(fù)雜性......

 寫在最后

當(dāng)然，超透鏡技術(shù)并不僅僅只存在于實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)研究階段。2021 年， Metalenz 宣布已與意法半導(dǎo)體正式簽署合作協(xié)議，意法半導(dǎo)體將為 Metalenz 的超透鏡技術(shù)開發(fā)制造工藝，生產(chǎn)智能手機(jī)、消費(fèi)電子、醫(yī)療和汽車所用的下一代光學(xué)傳感器。

時(shí)過(guò)一年，2022 年 6 月， 兩家公司的合作成果正式落地于意法半導(dǎo)體新款飛行時(shí)間（ToF）傳感器產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了批量出貨。這項(xiàng)技術(shù)將平面超透鏡取代傳統(tǒng)折射透鏡，可應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦、智能家居設(shè)備甚至汽車等大眾消費(fèi)產(chǎn)品。

對(duì)于 XR 近眼顯示系統(tǒng)而言，超透鏡的應(yīng)用需要更大的尺寸，以及更多的規(guī)格要求，這需要更大的市場(chǎng)或者玩家來(lái)推動(dòng)，比如蘋果。

蘋果公司一直以來(lái)都是科技界的領(lǐng)軍者和創(chuàng)新者，從個(gè)人電腦到智能手機(jī)，從平板電腦到智能手表，蘋果公司都給我們帶來(lái)了許多令人驚嘆和欣喜的產(chǎn)品和體驗(yàn)，引領(lǐng)了行業(yè)的發(fā)展和趨勢(shì)。

而在 XR 這條道路上，相信一如既往。

*本文技術(shù)部分由AIGC工具NewBing撰寫

參考資料：

[1]The Futuristic Optics of Metalenses：

https://www.radiantvisionsystems.com/blog/futuristic-optics-metalenses#:~:text=Metalenses

[2]超構(gòu)表面（matesurface）中廣義斯涅爾定律的證明

https://zhuanlan.zhihu.com/p/565259870

[3]攝像頭變小變平的新魔法——超透鏡Metalens技術(shù)：

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1750814697276559904&wfr=spider&for=pc

[4]全球首款用于3D傳感及激光雷達(dá)的超透鏡實(shí)現(xiàn)批量出貨：

https://xueqiu.com/3106791450/222422190