文/VR陀螺冉啟行&Bing

2023 年 XR 產業最令人期待的時刻，莫過于即將在 6 月 6 日至 6 月 10 日舉行的蘋果 WWDC 2023。伴隨著國內外產業鏈越來越多的內幕消息，蘋果 MR 頭顯的已變得“一絲不掛”。

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

(資料圖片僅供參考)

本文將從蘋果 AR 眼鏡項目，光學折射原理，超透鏡發展簡史等進行多角度闡述。

事實：蘋果MR頭顯是AR眼鏡的“下位選擇”

在了解超透鏡之前，先來了解一下蘋果對于 AR 眼鏡的看法，以及在該項目上的進展情況。

蘋果對于 AR 技術的重視毋庸置疑，一個不得不提的事實是——蘋果 MR 頭顯是蘋果 AR 眼鏡的“下位選擇”。

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

不管怎樣，對于庫克來說，這都是一款期待已久的產品，這可能是他作為蘋果 CEO 的最后一次大動作，并將影響他的未來，要么給他帶來另一項重大成就，要么強調公司最大的勝利是在他的領導下取得的，就像前任蘋果聯合創始人史蒂夫·喬布斯對世界帶來的影響一樣。

目前，蘋果的 AR 眼鏡項目依舊在推進當中，但是由于性能、功耗、體積、光學等問題的制約，蘋果內部員工似乎并不看好。一名從事該項目的員工表示，團隊中流傳著一個笑話，即公司繼續開發“無望”的設備只是為了讓蒂姆·庫克開心。

基于現有的開發進度，據透露，蘋果 AR 眼鏡最快將在四年后才能推出，即 2027 年。誠然，蘋果的 AR 眼鏡也許并沒有那么快出現，但是整個 AR 眼鏡產品的理想形態與技術路徑卻是絕對清晰與正確的，它所帶來的巨大潛力市場也定能會引起科技界的又一次穿戴式、交互式、計算機技術革命。

蘋果 AR 眼鏡被認為是蘋果公司未來最具潛力和影響力的產品之一，也是蘋果公司進入下一個十年的重要布局。

蘋果選擇“超透鏡”技術，XR下一代光學革命

正如那些“看不見”未來的員工所言，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技術。

光學技術是指用于將虛擬圖像投射到用戶眼前，并與現實場景融合的技術，它決定了AR 眼鏡的視覺效果和用戶體驗。而在光學技術中，最關鍵也最復雜的就是透鏡。

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，還會造成一些視覺上的不適，例如色差、畸變、眼睛疲勞等。

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

超透鏡是一種利用納米結構來聚焦光線的平面透鏡，它可以將傳統的曲面透鏡替換為厚度僅為人類頭發絲幾分之一的薄片。超透鏡不僅可以大大減輕 XR 頭戴式產品的重量和體積，還可以提高圖像的質量和分辨率，避免色差和畸變等問題。

當然，超透鏡技術不僅可以解決 XR 產品的光學問題，還能解決各類電子數碼產品，如手機，相機等產品的光學鏡頭凸出問題，優化光學。所以，近年來，關于超透鏡技術的投資也非常之多。

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業基金和經緯創投聯合領投，老股東中科創星持續跟投的數千萬元 Pre-A 輪融資；今年 4 月，專注于為 AR 眼鏡研發硅基光學超透鏡的 Imagia 宣布，已完成由 Gates Frontier 領投，MetaVC Partners 和其他投資者參投的 450 萬美元融資......

利用折射定律，設計各式各樣的光學透鏡

那么，超透鏡是如何實現這些技術優勢，吸引這些龐大的資本的呢？要回答這個問題，我們首先要了解一下光學的基本原理。光學是指研究光線的產生、傳播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等現象的科學。而在光學中，最基本也最重要的概念就是折射定律。

1621 年，荷蘭數學家威里布里德·斯涅爾首次發明了折射定律（也叫斯涅爾定律），折射定律是指當光線從一種介質進入另一種介質時，會發生偏離原來方向的現象，這種現象就叫做折射。折射定律可以用以下公式表示：

其中，n1 和 n2 分別表示兩種介質的折射率，θ1 和 θ2 分別表示光線在兩種介質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中傳播速度之比，它反映了介質對光線的影響程度。一般來說，折射率越大，說明介質對光線的影響越大，光線在該介質中傳播速度越慢，折射角越小。

根據折射定律，我們可以知道，當光線從一種折射率較小的介質進入另一種折射率較大的介質時，會向法線方向偏折；反之，則會向法線方向背離。而當入射角等于臨界角時，光線會沿著界面傳播，不再進入另一種介質；當入射角大于臨界角時，則會發生全反射現象，即光線完全反彈回原來的介質。

利用折射定律，我們就可以設計出各種各樣的透鏡來改變光線的方向和焦點。透鏡是指具有曲面或平面的透明物體，它可以使通過它的光線發生偏轉或聚焦。根據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曲面或平面的直線）的光線匯聚于焦點（即與主軸相交且距離透鏡中心一定距離的點），因此也叫做會聚透鏡。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散于焦點（即與主軸相交且距離透鏡中心一定距離的點），因此也叫做發散透鏡。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它的光線保持原來的方向和大小不變，但會產生一個與原來位置平行且有一定距離差別的虛像，因此也叫做平移透鏡。

傳統的透鏡都是利用曲面或平面來改變光線的方向和焦點，但這種方法有一個缺點，就是會產生色散。色散是指由于不同顏色的光在不同介質中傳播速度不同，導致白光在通過透鏡時會發生分解，即不同顏色的光無法在同一點聚焦。這就會導致圖像出現彩虹般的色彩邊緣，降低了圖像的清晰度和真實度。

為了消除色散，一種常用的方法是使用復合透鏡，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過復合透鏡后能夠在同一點聚焦。然而，這種方法也有一個缺點，就是會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，帶來超透鏡技術

2011 年，美國哈佛大學 Federico Capasso 教授團隊首次提出了“廣義斯涅爾定律”，“修訂”了原來的定律，以此開始設想一種二維超材料——超表面（Metasurface），與傳統的三維材料（天然、超材料）相比，超表面不僅也突破了傳統材料電磁參數的局限性，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，也可實現對入射光振幅、相位、偏振等參量的靈活調控。

2016 年，基于超表面概念，Federico Capasso 教授團隊發明了首個超透鏡（Metalenses），展示了首個在可見光范圍內有效工作的超透鏡。他們設計的超透鏡可以將光聚焦到一個直徑約400nm 的點上。與傳統透鏡相比，Federico Capasso 教授團隊使用了一種薄而扁平的結構，具有多個波導（引導電磁波的結構）——類似微小的柱子——由二氧化鈦（TiO2）制成的約 600nm 長的特定圖案排列而成，將這種波導稱為“納米鰭”。

超透鏡是一種利用納米結構來聚焦光線的平面透鏡，它可以將傳統的曲面透鏡替換為厚度僅為人類頭發絲幾分之一的薄片。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量和分辨率，避免色差和畸變等問題。

超透鏡示意圖，圖源：美國哈佛大學

超透鏡工作原理：將折射替換為衍射

與傳統透鏡技術相比，超透鏡可以將傳統的折射原理替換為衍射原理。

衍射是指當光線遇到具有微小結構或孔洞的物體時，會發生偏離原來方向或分裂成多束光線的現象。衍射可以用以下公式表示：

其中，d 表示物體上微小結構或孔洞的間距，θ 表示衍射角，m 表示衍射級數（整數），λ 表示光線的波長。衍射公式表明，當物體上微小結構或孔洞的間距與光線波長相當時，會產生最強烈的衍射效果。

利用衍射原理，我們就可以設計出各種各樣的超透鏡來改變光線的方向和焦點。超透鏡是由許多納米尺度的微小結構組成的平面透鏡，這些微小結構可以精確地控制光線通過它們時產生的衍射角和相位差。通過合理地排列這些微小結構，我們就可以使不同顏色和方向的光線在同一點聚焦，從而實現對可見光譜（即白光）的全色聚焦。

多年以來，超透鏡技術已經在取得了不少重要進展：

2019 年，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）開發了一種基于液晶元件的阿爾瓦雷斯（Alvarez）超透鏡，它可以通過改變兩個平面液晶元件之間的相對位置來連續調節焦距。這種超透鏡可以用來解決沉浸式技術設備中常見的視覺-調節沖突（VAC）問題。 2019 年 5 月，麻省理工學院 (MIT)的數學家公布了他們開發一種計算技術的工作成果，該技術可以快速確定超透鏡納米元素的最佳構成和排列。這將使制造商能夠設計超透鏡圖案以滿足特定目標，例如控制顏色或創建不同形狀的光束。

來自 NIL Technologies 的絕對效率為 94% 的多元光學元件 (MOE) 透鏡

2019 年 7 月，密歇根大學的研究人員宣布了一項新技術，該技術使用一組超透鏡將光聚焦成特定圖案，而不是單個點。這種方法對任何光束整形應用都有影響，例如激光切割、退火和選擇性結晶。

2019 年在 7 月，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學 ( KAUST ) 的研究人員開發了一種扭曲超透鏡薄膜的方法，以進一步控制光的特性。例如，他們開發了一種焦距和強度比可控的雙焦超透鏡。

2021 年，SEAS 團隊還開發出一種 2 毫米的無色超透鏡，可以無畸變地聚焦 RGB（紅色，藍色，綠色）顏色，并開發了一種用于 VR 和 AR 的小型顯示器;2021年，麻省理工學院的科學家開發了一種超透鏡，可將入射的 UVA 光轉化為真空紫外線 (VUV) 輻射的聚焦輸出，這有可能降低半導體制造的復雜性......