阳光下文字依然清晰……日常用增强现实眼镜商业化迈进一步

by Kim Jonghwa

Published 12 Nov.2026 01:01(KST)

浦项科技大学·三星研究院研发厚度仅1.5毫米的超薄光学系统
减少光损耗，实现户外文字显示……成果发表于国际学术期刊《自然》

一项有望加快可在强烈阳光下将导航或文字信息显示在眼前的增强现实眼镜商业化的光学技术已研发成功。韩国研究团队采用一种可减少光损耗的新型设计技术，成功利用厚度仅为1.5毫米的超薄光学系统，在明亮的室外环境中显示虚拟文字。这项技术突破了传统增强现实眼镜难以兼顾光学系统轻薄与屏幕亮度的局限，为开发日常使用的智能眼镜开辟了新可能。

超表面波导的结构及增强现实眼镜原型。采用超表面波导的增强现实眼镜工作原理（上）、实际原型（左下）及波导横截面结构（右下）。通过结合分别传导红光和绿光、蓝光和绿光的两层结构，以厚度仅为1.5毫米的光学系统实现全彩图像。研究团队供图

韩国科学技术信息通信部12日表示，浦项科技大学教授 Roh Junseok 的研究团队与三星电子三星研究院合作，研发出“超表面波导”技术，在减少光损耗的同时，即使眼睛位置发生变化，也能看到明亮的影像。研究成果于当天刊载于国际学术期刊《自然》。

增强现实眼镜是一种将导航、文字、影像等数字信息叠加显示在现实景物上的设备。要像普通眼镜一样日常使用，它不仅要轻薄，还必须确保在阳光强烈的室外也能清晰显示画面。此外，即使眼睛转动或眼镜稍有滑落，影像仍能保持稳定也很重要。

传统增强现实眼镜会将小型显示屏发出的光传入薄型波导内部，再利用微结构将光导向眼睛。波导是一种引导光沿特定路径传播的光学结构。然而，在光线多次改变方向的过程中，部分光会逸散到其他方向，导致影像变暗。尤其是为了扩大眼睛移动时仍能看到影像的范围，光损耗也会随之增加。红、绿、蓝光的传输效率各不相同，造成某些颜色过亮或过暗，这也是亟待解决的问题。

通过纳米结构设计减少光损耗……实现1.5毫米厚光学系统

研究团队没有局限于以往提高单个微结构光传输效率的思路，而是对光在整个波导中的传播路径进行了精密设计。他们在波导表面布置了尺寸小于光波长的纳米结构，并根据位置和入射角度，分别调整结构的形状与间距。

借此，原本会损耗的光得以更多地用于形成影像。其核心在于结合用于计算光传播路径的光线追迹与电磁分析，对整个波导的光传输路径和各区域的光学特性进行协同优化。

在室外和室内拍摄的增强现实（AR）视频。上方左侧和中间为明亮室外环境中显示白色文字的画面，右侧为室内呈现的彩色视频。下方为在黑暗环境中对色彩表现、明暗对比和分辨率进行评估的结果。研究团队供图

为缩小不同颜色光线传输效率之间的差异，研究团队还结合了两层波导。其中一层主要传输蓝光和绿光，另一层主要传输红光和绿光。每层均采用氮化硅（SiNx）基超表面，并在29个区域分别布置不同的纳米结构，以控制光线的方向和分布。

基于这项技术，研究团队制作出总厚度为1.5毫米的光学系统，并将其应用于增强现实眼镜样机。单层波导重5.2克，左右镜片所用波导的总重量为20.8克。按对角线计算，视场角为30度；当眼睛与波导相距15毫米时，可在横向和纵向各8毫米的范围内观看影像。这种即使眼睛位置发生变化，仍可观看影像的空间称为“眼盒”（Eyebox）。

性能测量结果显示，在眼盒内多个眼睛位置，影像中心区域的白光平均亮度效率为1938尼特/流明，最高达4225尼特/流明。这一指标反映了进入光学系统的光量与传递至眼睛的影像亮度之间的关系。红、绿、蓝光的平均亮度效率分别为1897、1977和2170尼特/流明，表明各颜色的光传输性能也较为均衡。

实现室外文字与室内彩色影像……商业化仍面临挑战

使用眼镜样机进行测试时，研究团队成功在明亮的室外景色上叠加显示白色文字。在室内，即使将显示屏输出功率降至30%，也实现了彩色影像显示。这一结果表明，即便采用薄型光学系统，只要减少光损耗，就能在不同环境亮度下显示虚拟影像。

这项技术的意义尤其在于，它缓解了日常使用的增强现实眼镜面临的核心矛盾，即光学系统厚度、屏幕亮度与允许眼睛移动的范围之间的取舍。未来，该技术可用于在眼前显示导航或作业信息的智能眼镜；提高光传输效率也有望降低显示屏的功耗。

不过，要实现产品商业化，仍需进一步研发。研究团队提出，目标是将平均亮度效率从目前约2000尼特/流明提升至3000尼特/流明以上，并确保在眼睛位置变化时仍可观看影像的整个眼盒范围内，亮度达到一定水平。目前，眼盒部分边缘区域的亮度会下降，正对太阳时还会出现光线像彩虹一样扩散的现象。此外，眼睛位置和影像区域不同所造成的色差，以及室外难以阅读小字等问题，也有待改善。