发布会现场展示的概念AR眼镜

人类技术的历史，或许可以看成是一个不断寻找“外挂”的过程。

对人类至关重要的火，像是一个外挂的消化系统，让我们可以将更多能量供应给大脑；诞生于19世纪末的无线电，像是外挂的声带，让我们可以把声音以光速传遍地球。

而AR（Augmented Reality，增强现实）,无疑是人类眼睛的外挂，它连接了虚拟与现实，改变了人类观看世界的方式。

只是，从本世纪初露面至今，它的发展有点跟不上人们的期待，有人决心给这个“外挂”加一点助力。

9月24日上午，由西湖大学未来产业研究中心孵化的慕德微纳（杭州）科技有限公司，宣布实现AR眼镜关键技术突破。

他们用碳化硅代替传统的玻璃或树脂镜片，打造出极致轻薄的碳化硅AR镜片——单片重2.7克，厚度仅0.55毫米——比你平时戴的太阳镜还要薄。并且，它还实现了大视场角的单片全彩显示，以及消除了传统AR眼镜“彩虹纹”干扰问题。

这将颠覆AR眼镜的设计形态，让它加速“飞入寻常百姓家”！

西湖大学国强讲席教授、副校长仇旻戴着概念AR眼镜在发布会现场

不一样的镜片：天外飞石

AR眼镜镜片的这一次技术突破，首先源自于碳化硅。碳化硅是什么？为什么会选择它做镜片？

故事要从很久以前说起。

1893年，法国科学家亨利·莫桑从美国亚利桑那州陨石坑样品中找到一种晶体，并明确了它由碳和硅构成。为了纪念亨利·莫桑，碳化硅也被称为莫桑石。

没错，碳化硅就是年轻人喜欢的那个莫桑石。它比钻石拥有更高的折射率和光泽，纯净又透明，象征了人们对爱情的期许，很多时候被当作钻石平替。

莫桑钻和钻石的对比

上世纪中叶，随着理论和技术研究的突破，碳化硅开始作为重要的半导体材料登上舞台，并逐渐成为第三代半导体材料的代表，在新能源汽车、通讯设施、太阳能电池等领域闪闪发光。

相比目前硅器件的温度极限是300摄氏度，碳化硅器件可以做到600摄氏度；碳化硅器件具有较高的能量转化效率，能经受的电频频率是硅器件的十倍，且能量损耗更低；碳化硅还具备高热导率的特性，有助于器件快速降温。

但如此优秀的它，在自然界却存量稀少，多见于陨石。4.9万年前亚利桑那州那次撞击，几十万吨的镍铁陨星以6.4万公里的时速撞击地球，才有了碳化硅，可想而知这位“天外来客”生成条件的苛刻。

所以，人类生产碳化硅的成本自然不会低。在2300摄氏度的高温炉中，大约7天时间只能生长出2厘米厚的碳化硅晶锭，堪比太上老君的炼丹炉。

而炼成之后，因为近似钻石的硬度，碳化硅的切割加工也十分困难。

事实上，慕德微纳的技术源头——西湖大学仇旻实验室——最初关注到碳化硅，正是因为受托解决碳化硅切割的难题。他们利用激光加工技术，“以光击石”，就能一层层剥离碳化硅晶锭，极大地提升了加工效率和材料利用率，从而降低碳化硅成本。

在这个过程中，研究人员关注到碳化硅另外一个“本领”——高达2.65的折射率。原本，用于半导体器件的碳化硅，为了导电，需要掺杂其他物质，材料会呈现黄绿色，而高纯碳化硅其实是无色透明的。

仇旻和团队在实验室

仇旻实验室的另一个称呼是“纳米光子学与仪器技术实验室”，对这群出身光学的人而言，透明的、高折射率的东西，在他们眼里都是一种优秀的光学材料。如果将碳化硅应用于光学领域，将会发生什么？

他们着手做了一系列测试，比如做一个简单的光路，结果发现超出预期。

因为高折射率，单层碳化硅波导理论上能够支持大于80°的全彩成像，相比之下，传统高折射率玻璃由于材料限制，单片能够提供的最大全彩色视场角不超过40度。更大的视场角意味着更好的沉浸感和体验。无论是游戏中的奇幻场景还是工作中的数据可视化，都将带来前所未有的视觉盛宴。

这无疑是“天外飞石”带来的技术“诱惑”，而团队负责人仇旻决心让碳化硅释放出另一种光彩。

不一样的技术：衍射光波导

云谷校区工学院E2-110，纳米光子学与仪器技术实验室，这是西湖大学“最难进”的实验室之一。研究人员需要像新冠期间的医生护士一样，从头到脚裹得严严实实，并经过“风淋”洗礼，才能进入。

微纳光学器件与半导体芯片加工类似，所有的实验都必须在超净间完成，期间不能喝水、不能吃东西、不能容忍一丝尘埃的掉落。

当圈定AR眼镜镜片最佳候选材料之后，如何设计材料才是接下来的重点，而这正是研究团队敢于啃“硬骨头”的底气。他们长期专注于光和物质相互作用的研究，在微纳光子学理论、微纳加工与制造、仪器装备等领域颇有建树。光，既是他们“研究世界”的对象，也是他们“改造世界”的工具。

目前实现AR有不同的技术方式，其中一种是“衍射光波导”技术。

衍射光波导原理展示

首先，在眼镜侧面设定一个微小的投影仪，里面有我们要显示的画面，从这个投影仪出发，光束要走出一个神奇的路线。

此时，在镜片上的纳米级的光栅结构早已“恭候多时”。光束遇到光栅时会发生衍射作用，就会发生偏折，通过多次的光栅衍射偏折和镜片中的全反射后，光束最终在人眼前的光栅处“逆转”出发的方向，照射进入人的眼睛，我们就看到了画面。

当然，这是简化后的描述，实际上要设计并实现这样的光路，需要极其复杂严谨的光学计算。所谓“波导”，就是引导光波的意思。

过去这些年，衍射光波导AR眼镜其实已经开始走入我们日常生活，比如每次你去博物馆，就可以租赁AR眼镜来看展览。但你可能会发现，镜片通常并不薄，还有外加防护罩，这背后其实是目前衍射光波导技术略尴尬的地方。

由于传统材料折射率低，彩色画面被分到两到三层进行传递，并且为了保护波导层上的微纳光栅结构，在日常使用中不发生损坏和脏污，在内外两侧附加了2片玻璃或树脂盖板作为保护壳。这就好像穿了好多层“衣服”，一下子臃肿了。

这还没完，外界环境光经过位于波导表面的光栅的衍射后，会发生色散，形成类似彩虹一样的发光区域，这些发光区域呈现在人眼前，严重干扰了AR眼镜佩戴者的体验感。

而这一切“尴尬”，在碳化硅与微纳光学技术的结合之后“迎刃而解”。

不同形态的光栅设计

在此之前，慕德微纳已经在衍射光波导量产的关键节点——纳米压印模板技术方面取得多次重大突破，填补产业链空白的同时，大幅提升了衍射光波导的设计迭代效率，使衍射光波导的光效和均匀性难题得到了很好的解决。这为后续碳化硅AR镜片研发做好了技术储备。

然后，得益于碳化硅材料的超高折射率，新技术只需单层波导就能完成全彩显示任务。这使AR眼镜变得极其轻巧，并且他们还通过一种超薄封装工艺，进一步压缩了整体体积，让人佩戴起来几乎感受不到它的存在。

接下来解决彩虹纹问题。研究人员通过对光栅结构的精确设计、更高的加工精度，几乎避免了环境光衍射进人眼可视范围内的问题，为用户提供了一个干净清晰的画面。

全彩显示的碳化硅AR（左）与普通高折玻璃AR（右）对比示意图。碳化硅AR具有轻薄、无彩虹纹、单片全彩和优异的散热性能

而传统AR衍射光波导眼镜的散热问题，即因投影光机和传感、计算单元产生的热量堆积，使设备进入过热保护，在这款碳化硅AR眼镜中也得到了完美解决。有别于传统的镜腿散热方法，它充分利用材料本身的性质，通过特殊设计，将镜片本身用于散热，大幅提高了散热效率。

24日发布会现场，这副集“万千宠爱于一身”的碳化硅概念AR眼镜，如约展示在人们眼前。

而这一切的突破，最初只是源于科学家莫名的冲动。

团队主创之一、慕德微纳CEO杜凯凯说，按照此前的行业经验，衍射光波导材料在折射率上一般都不会超过2.0，因为普通玻璃本身的折射率在1.5左右，需要掺杂金属氧化物以提升折射率，但当折射率超过2.0，材料的密度、蓝光吸收和成本问题就会变得极为突出。

久而久之，折射率不超过2.0，似乎成了一个行业规则，甚至有研究称，当衍射光波导材料折射率超过2.0，将会带来高阶衍射的“杂光灾难”。而仇旻只是简单地问了一句：事实真的是这样吗？

试想一下未来， AR眼镜将改变你观看现实世界的方式，而背后的材料研发，是一个关于天外飞石从“钻石平替”一路逆袭并突破常规的故事。