對話西湖大學副校長仇旻：中國AR光波導關鍵技術研究跨入世界前列

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第134期，對話西湖大學國強光學工程講席教授、副校長、工學院院長仇旻。

嘉賓簡介：

仇旻，西湖大學國強光學工程講席教授、副校長、工學院院長，西湖大學光電研究院院長。歐洲科學院外籍院士、歐洲科學與藝術院外籍院士、國家杰出青年基金獲得者。主要研究方向為微納光電子學，包括微納加工技術及儀器裝備、微納光子理論及光電器件、面向智能應用的關鍵理論與技術等。

• 碳化硅有優異的材料折射率、低密度（輕）、高硬度（堅固耐用），同時具有高熱導率和穩定性。

• 在AR光波導技術領域，中國不僅沒有落后，在某些關鍵技術節點上走在了世界前列。

• 單層衍射光波導結構，一片鏡片就能完成紅、綠、藍三色光的耦合和傳導，是AR鏡片實現極致輕薄的關鍵。

• 將厚度僅0.2毫米的菲涅爾鏡片與0.75毫米的碳化硅波導直接貼合，形成一個整體，但功能路徑獨立。

• 隨著供應鏈的成熟和產量的提升，未來有信心將成本控制在大眾可接受的范圍內。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

想象一下，如果一副AR眼鏡的鏡片像信用卡一樣薄，不僅能消除常見的“彩虹偽影”問題，還能和超薄近視鏡合二為一，會是怎樣的效果？

近日，西湖大學仇旻教授團隊就成功研制出了這樣的鏡片，該項研究成果已被國際頂級期刊eLight錄用。這篇論文首次提出并實現了一種超輕、超薄且可量產的碳化硅衍射光波導，為消費級AR眼鏡的發展掃清了關鍵障礙。

對此，搜狐科技對話了西湖大學國強光學工程講席教授、副校長和工學院院長仇旻，聽他講述這項研究成果的意義、科學原理以及未來的應用方向。

當碳化硅遇上“納米壓印剝離”工藝

AR技術被普遍認為是繼個人電腦、智能手機之后的下一代計算平臺，將會深刻變革人與信息的交互方式。但硬件瓶頸的限制，讓AR設備遲遲未能商用落地。用戶普遍抱怨現有的AR設備太重、佩戴不舒服，特別是‘彩虹偽影’無法得到有效解決，嚴重影響沉浸感。

既然AR光波導是制約行業發展的關鍵所在，仇旻團隊決定集中力量攻克這個難題。

他們利用碳化硅這種新材料和創新的制造工藝，開發出了一種“理想鏡片”的解決方案，解決了設備笨重、視覺有干擾（彩虹偽影）和規模化量產困難這三個核心難題。

為什么選擇以碳化硅為材料？仇旻表示：“傳統AR的波導主要使用高折射率玻璃，這種材料在性能提升上已經逼近極限，而且難以兼顧輕薄化和高質量成像。而碳化硅是一種潛力巨大的光電平臺材料。”

在他看來，碳化硅擁有三個核心優勢。第一，材料優異的折射率，結合仇旻團隊創新的光柵設計，可以從根本上消除由環境光經過衍射光柵時產生的雜散光從而引起的“彩虹偽影”問題。

第二，體積更輕薄。在相同全彩顯示的設計目標下，更薄的單層結構可以實現過去需要多層玻璃波導才能達到的效果。

第三個優勢是碳化硅非常堅固耐用，可以充當散熱組件將光機熱量導走，高熱導率和材料穩定性也為制造兼具熱調控功能的可靠鏡片提供了保障。

解決了材料選擇的問題，規模化制造的工藝瓶頸仍需突破。碳化硅硬度極高，傳統干法刻蝕難以加工納米光柵，為此仇旻團隊專門開發了“納米壓印剝離”工藝，巧妙解決了這一難題。

“‘納米壓印’技術，就像蓋章一樣，將設計好的納米光柵圖案批量化地‘印’在基底上，然后，通過蒸鍍和剝離技術，在壓印的圖案上形成一層高精度的金屬掩模，最后再以這層掩模為保護進行刻蝕。”仇旻講述道。

（圖片來自論文）

在AR領域投入最大的Meta公司，基于碳化硅波導的原型機（Orion）也證明了這一技術路線的潛力。不過，Meta的方案采用了復雜的雙面結構，制造工藝難度大、良率低、成本高。這也是遲遲沒有規模化量產的重要原因。

仇旻表示：“從這個意義上講，在AR光波導技術領域，我們不僅沒有落后，而且在某些關鍵技術節點上已經走在了世界前列。”

在材料和結構上做“減法”

這種AR眼鏡的鏡片重量僅有3.795克，厚度薄至0.75毫米，為了實現這一突破，仇旻團隊在材料上和結構上都做了“減法”。

“材料上，我們用性能更優越的碳化硅替代了傳統光學玻璃，結構上，我們利用碳化硅的高折射率優勢，設計了單層衍射光波導結構，一片鏡片就能完成紅、綠、藍三色光的耦合和傳導。”

這種從“多層”到“單層”的跨越，是鏡片實現極致輕薄的關鍵。畢竟傳統方案為了實現全彩顯示，通常需要將2-3片玻璃波導疊加在一起，導致厚度和重量增加。

“彩虹偽影”的根源在于環境光經過傳統多層光波導的衍射光柵時發生的雜散光，而單層碳化硅波導設計可以從物理層面解決這個問題。

由于只有一個衍射層，而且結構也經過精心優化，就可以將環境光的衍射偏離人眼接收范圍，也就不會產生“惱人”的彩虹條紋了。

鑒于碳化硅材料本身優異的折射率和極低的光損耗，再加上在光柵的微納結構設計上進行了大量的仿真和優化，都使得光能的利用效率最大化，最終測試數據可以達到1238.10 nit/lm（光效單位，數值越高表示 “單位光通量下的亮度越強”），光效較主流商用產品提升72%，這意味著同樣的功耗下，畫面更亮、視覺更清晰。

與超薄的菲涅爾處方鏡片（螺紋透鏡）“二合一”時，又該如何確保屈光矯正和AR成像互不干擾呢？

對此，仇旻表示：“屈光矯正和AR成像在光學上是兩個獨立的系統，菲涅爾鏡片負責矯正人眼的屈光不正，比如近視，它改變的是通過鏡片的現實世界光線，而碳化硅波導則負責將微型光機產生的虛擬數字圖像精準地投射到人眼可視范圍。”

將厚度僅0.2毫米的菲涅爾鏡片與0.75毫米的碳化硅波導直接貼合，形成一個整體。由于兩者都極其輕薄，且功能路徑獨立，可以實現在物理上集成，在光學上互不干擾。

“我們的實驗包括圖像清晰度測試，已經充分驗證了這種‘二合一’方案的可行性和高質量成像效果。”仇旻說。

（圖片來自論文）

不過，科研的道路從來不是一帆風順的。

仇旻稱，他們遇到的最大瓶頸是碳化硅的納米級精密加工問題。最初他們嘗試了很多種傳統的刻蝕方案，但效果都不理想，要么刻蝕選擇比不夠，要么無法實現大面積的均勻性，而這直接關系到技術能否從實驗室走向工廠。

為了解決這一難題，仇旻團隊進行了多輪頭腦風暴和實驗驗證，最終摒棄了“硬碰硬”的思路，創新性地提出了“納米壓印剝離”這一新工藝，最終成功在4英寸的晶圓上實現了高保真度的納米光柵制造。

未來成本將控制在可接受范圍內

談到這，大家最關心的還是量產和價格的問題。

對此，仇旻表示：“目前我們開發的全套技術，從材料、設計到‘納米壓印剝離’工藝，都具備了規模化量產的能力，并且已經開始供應給業內數家頭部企業進行評估和產品開發。”

至于具體的上市時間，取決于合作伙伴的產品定義和市場策略。“但樂觀地講，技術上的主要障礙已經基本解決。”仇旻如是說。

這種AR眼鏡初期價格可能會定位于高端消費市場，與目前主流的旗艦AR眼鏡相當。基于晶圓級的制造工藝，具有巨大的成本下降潛力，預隨著供應鏈的成熟和產量的提升，未來成本將控制在大眾可接受的范圍內。

這種輕便、高清的AR鏡片應用場景非常廣闊，仇旻分享了未來這款鏡片最先落地的三大應用場景。

信息提示與導航肯定是最高頻、最實用的需求，比如，在日常行走或駕駛中，可以將導航信息、消息提醒、實時翻譯等內容直接疊加在視野中。

其次，可以用在工業與專業培訓方面，提升工作效率和準確性。比如，工程師可以實時看到設備維修圖紙和數據，醫生可以在手術中看到患者的關鍵生命體征。

最后就是在文旅與娛樂方面的應用。比如，在博物館，游客可以看到文物的歷史重現；在演唱會或體育賽事中，觀眾可以獲得定制化的信息和互動體驗，創造全新的娛樂模式。

下一步，仇旻團隊將繼續嘗試突破核心光學性能，比如進一步拓寬視場角，提升光學效率，讓AR的視覺體驗無限接近真實世界。

運營編輯 |曹倩審核｜孟莎莎