3D打印低成本制造增强现实波导组件

2024年7月16日，南极熊获悉，美国知识产权局发布了一种改进的 3D 打印方法，实现了用于增强现实（AR）显示应用的光波导组件的批量生产。

相关研究以题为“Additive 3D printed opticalwaveguide for augmented reality”的论文被发表在《APL Photonics》期刊上，由Dechuan Sun、Ranjith R Unnithan等人联合撰写。

相关论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0207125

增强现实 (AR) 技术是一种将虚拟信息实时集成并叠加到用户物理世界的技术，通常通过光学透视近眼显示器实现。借助近眼设备，虚拟信息可以投射到现实世界的物体上，从而创造一种互动体验。这项技术不仅可用于娱乐，还可以增强学习和制造过程。AR 技术在工业、驾驶和教育领域有着广泛的应用，有潜力成为下一代计算平台。

尽管 AR 领域已获得巨大发展，但AR 波导（AR 设备中的核心光传输组件）的大规模生产却一直很困难。为了克服高成本和制造挑战，Sun 等人优化了传统的几何波导结构并考虑了制造成本，并开发了一种经济高效的 3D 打印平台，用于其专利制造流程制造集成三个介电反射器的波导。

研究人员首先使用 COMSOL Multiphysics 中实现的有限元法优化了几何波导设计。几何 AR 波导的尺寸为 31 × 26 × 3 mm3 。利用 3D 打印的三棱镜有助于将光有效耦合到波导中。棱镜相对于波导底面以 50° 的角度放置。这个特殊的角度可确保波导内发生全内反射，从而实现沿其路径的最佳光传输。为简单起见，该设计包含三个介电反射器，相对于底面以 25° 的角度集成，如图1所示。这些反射器的作用是将光线引导至观察者的眼睛。优化波导设计的主要重点是简化制造流程。

△光线轨迹显示了光线从耦合光学器件传播到用户眼睛时的光路、图像组合和瞳孔扩张。物体（位图文件）以这样的方式加载到模型中，即从物体表面释放的光线的空间密度与导入的位图中的值成比例。使用 23,000 条光线生成的图像平面上的重建图像显示了放大、完美拼接和翻转的图像。波导的2D 示意图说明了组合器的临界角和尺寸。

研究团队使用经济高效的 LCD 3D 打印机制作了后续的几何 AR 波导组件，用 UV 树脂粘合了3 个介电反射器和其他打印组件。他们对打印工艺的改进显著改善了组件的表面粗糙度，无需模塑、切割和后抛光，从而在保持图像质量的同时降低了人工成本。

△经过改装的打印平台和制造过程。示意图展示了经过改装的 3D 打印平台。为了增强光分布均匀性，在光源前面放置了一个扩散器和一个吸收器。此外，在LCD 屏幕顶部放置了另一个扩散器。波导的顶部和底部组件分别打印在玻璃打印床上，然后使用 UV 树脂与介电反射器集成。

作者 Ranjith Unnithan 表示：“传统 AR 制造技术的复杂性及其对光学特性的高精度要求已成为克服大规模生产成本的重大障碍。我们的原型的成功表明了广泛应用和商业化的潜力。”

作者计划通过探索先进材料和打印技术继续改进 AR 设备的功能。他们还期待看到 3D 打印光学器件的更广泛应用。

论文作者Sun表示：“我们未来的项目涉及改进 3D 打印工艺，以提高波导性能和耐用性。对于该领域的其他人来说，研究 3D 打印光学器件在各个技术领域的新应用可能是一条有希望的途径。”