研究人员利用 3D 打印技术开发用于 AR 的低成本光波导

2025年7月31日，南极熊获悉，来自墨尔本大学的一支研究团队开发了一种低成本的液体几何波导组合器原型，可用于增强现实 (AR) 应用。组合器原型通过集成硅油和PolyJet 3D打印技术，简化了生产流程，取代了传统光学组合器中复杂的制造步骤。

研究成果以题为“Design and fabrication of a low-cost liquid optical waveguide for augmented reality”的论文发表在《Springer Nature》期刊上。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1038/s44172-025-00469-4

几何波导是AR近眼显示器的关键组件，能够将虚拟内容以光学方式叠加在现实世界之上。传统的制造方法包括切割、层压和抛光带有反射涂层的堆叠玻璃基板，这些工序都需要高精度和大量的人工。墨尔本团队开发的液体波导完全避免了这些步骤，它通过将充满硅油的3D打印框架密封在盖玻片之间，并将介质反射器插入预设的插槽中。

原型尺寸为长 38 毫米、宽 28.5毫米、厚 3.2 毫米。一个倾斜角为 50° 的三棱镜用于将光耦合到波导中，而三个平行的介质反射器（间距为 2.024 毫米，相对于底座成 25° 角）将光线重新导向观察者。这些结构特征使用COMSOL Multiphysics的有限元射线光学模块进行了优化。光学仿真证实，全内反射保持了光传输效率，棋盘格图像通过准直透镜投射并在模拟视网膜上重建。

△使用COMSOL 对所提出的波导进行光学模拟。图片来自 Springer Nature。

工业级3D打印机制造商Stratasys提供了用于制造的PolyJet平台。研究人员使用了J826系统，搭配透明RGD810树脂和水溶性SUP707支撑材料。打印床上铺有一层氟化乙烯丙烯薄膜或平板玻璃，以确保表面光滑。打印的反射器插入槽的宽度范围为165 µm至200 µm，其中180µm为最佳对准宽度。打印的反射器厚度为175 µm。孔内设有直径0.5 mm的通风孔，以便在组装过程中辅助硅油注入和空气置换。

在显微镜下，使用精密镊子插入介质带通滤光片。利用天花板灯光反射目视检查反射器之间的平行度，并使用分辨率为 1 µm 的显微镜载物台在多个点进行距离测量。尽管此过程耗时较长，但研究人员建议在早期阶段省略检查，并用目视检查技术取而代之。更精确的对准方法，例如激光自准直仪或斐索干涉仪，被认为是未来需要改进的领域。

框架用三片0.1毫米厚的盖玻片密封，经等离子清洗后，在受控压力下用UV环氧树脂粘合。密封后，使用27号针头和注射泵将粘度为20 cSt的硅油以0.2毫升/分钟的流速注入波导。并用UV树脂密封通风孔。所选用的硅油具有热稳定性和化学稳定性，折射率为1.41，在20°C温度范围内临界角变化仅为0.28°。

△透射率测量。图片来自 Springer Nature。

使用 Cytoviva 高光谱显微镜进行光学特性分析。反射器透射率在 400-700 nm 可见光谱范围内，0° 入射时下降 3%，25° 入射时平均下降 2%。使用 Bruker Dimension Icon 原子力显微镜测量表面粗糙度，反射器的均方根粗糙度 (Rq) 值为 1.4 nm，盖玻片为1.3 nm。以每度 15 次循环的频率评估调制传递函数(MTF) 性能，结果显示透视模式下保留率为 70%，虚拟图像模式下保留率为 24%。

通过将反射光投射到距离眼瞳平面 25 厘米的目标板上，测量的水平和垂直视场分别为 19.52° 和 12.56°。由于仅使用三个反射器，视场范围在水平方向上被限制在约 1 毫米，在垂直方向上被限制在约 2 毫米。研究人员指出，增加反射器数量可以扩大视场范围和视场，但会导致更大的光学损耗和更高的功耗。

反射效率测量是在暗室中使用单色CMOS传感器间接进行的。研究团队将投影仪的原始光输出与波导的重定向光进行了比较。记录的效率分别为460 nm处4.48%、515 nm处4.49%和625 nm处4.56%。

△所制备波导的光学性能。图片来自 Springer Nature。

手动组装在精确切割和插入反射器且不造成损坏方面存在挑战。尽管劳动密集型，但当前的组装流程可以快速进行原型设计迭代。整个流程包括约 3 小时的 3D 打印、2 小时的后处理和 4 小时的手动组装。总材料成本计算为 18 美元，其中包括 12 美元的反射器、3.30 美元的设备使用费、1.10 美元的树脂、0.70 美元的硅油和 0.60 美元的盖玻片。

为了解决液体介质的热膨胀问题（估计为 900 ppm/°C），设计包含可选的气穴，以防止压力积聚。这些气泡会上升到顶部，并隐藏在上部密封区域。此前，人们曾讨论过更昂贵的高折射率透明液体（例如显微镜浸油）作为替代方案，但这些液体的成本对于原型制作来说过高。

波导性能也可能受到投影系统选择的限制。研究团队使用了标准的LCoS投影仪，可能无法与棱镜的瞳孔位置最佳对齐，从而可能缩小有效视场。未来，他们提出了定制设计的投影仪方案。

△使用LCD UV 打印机和定制设计的自动波导组装系统打印的样品。图片来自 Springer Nature。

德国光子自动化公司FiconTEC与研究团队合作开发了一套定制波导组装系统，集成了龙门系统、压力传感反射器拾取器、紫外线胶水制备平台以及用于对准的高分辨率成像系统。这套系统目前正在评估，旨在支持基于本研究中专利波导的可扩展生产。

为了简化操作，作者选择玻璃作为腔体密封材料，并指出透射率稳定在 93%。他们推荐使用蓝宝石作为未来的潜在替代品，因为蓝宝石具有较高的硬度和耐刮擦性。其他改进措施包括添加 MgF₂/SiO₂ 等防反射涂层，以减少更宽视角下的反射损失。

参与本项目的研究人员隶属于墨尔本大学电气与电子工程系、医学系神经动力学实验室和KDHAdvanced Research Pty Ltd。