在200億美元的AR/VR眼鏡市場，”形象”就是一切。消費者正在尋找結構緊湊、易於佩戴的眼鏡，用社會可接受的光學技術提供高質量的圖像。羅切斯特大學光學研究所的研究人員想出了一種新技術，以最大的效果提供這些屬性。在《科學進展》雜誌的一篇論文中，他們描述了用一種被稱為”元表面”的納米光子光學元件來印製自由形狀的光學元件。

元表面是在金屬薄膜上的一個名副其實的微小銀納米級結構的森林，在這一進展中，它符合光學元件的自由形狀，實現了研究人員稱之為元形的新光學元件。

該微小銀納米級結構能夠違背傳統的反射定律，收集從各個方向進入AR/VR目鏡的可見光，並將它們直接重定向到人眼。量子光學和量子物理學教授尼克-瓦米瓦卡斯（Nick Vamivakas）將這種納米級結構比作小規模的無線電天線，當我們啟動設備並以正確的波長照射它時，所有這些天線開始振盪，輻射出一種新的光線，將我們想要的圖像送到下游。

這種光學元件可以應用於任何鏡子或鏡頭，已經在其他類型的元件中找到了應用，如傳感器和移動相機。研究人員目標是將進入AR/VR眼鏡的可見光導向眼睛。新設備使用一個自由空間的光學組合器來幫助做到這一點。然而，當組合器是自由曲面光學的一部分，圍繞頭部彎曲以符合眼鏡格式時，並非所有的光都被引導到眼睛。單純的自由曲面光學技術不能解決這個具體的挑戰。

自由曲面光學是一種新興技術，它使用表面在光學直徑內外缺乏對稱軸的透鏡和鏡子來創造比以往更輕、更緊湊、更有效的光學設備。其應用包括三維成像和可視化、增強和虛擬現實、紅外和軍事光學系統、高效汽車和LED照明、能源研究、遙感、半導體製造和檢測以及醫療和輔助技術。

羅蘭德、鮑爾和自由曲面光學中心的合作者最近在《Optica》上發表了一篇論文，概述了這項技術，包括無旋轉對稱性鏡片的早期發展；自由曲面光學的設計、製造、測試和裝配；基礎理論和對未來的展望。這就是為什麼研究人員必須利用元表面來構建一個新的光學元件。整合這兩種技術，即自由曲面和元曲面，了解它們如何與光互動，並利用這一點來獲得良好的圖像，這是一個重大挑戰。

這種系統實際的聚焦裝置直徑約為2.5毫米。但即使是這樣，也比印在自由形狀的光學元件上的最小的納米結構大一萬倍。從設計的角度來看，這意味著要改變自由形態透鏡的形狀，並將納米結構分佈在透鏡上，使它們兩者協同工作，得到一個具有良好光學性能的光學裝置。

Rolland小組的光學工程師Aaron Bauer找到一種方法來規避在光學設計軟件中無法直接指定元表面的情況，他們使用了不同的軟件程序來實現一個集成的元面設備。其中製造是令人生畏的。它需要使用電子束光刻技術，其中電子束被用來切割需要沉積銀納米結構的薄膜元表面部分。用電子束在彎曲的自由曲面上進行書寫是不典型的，需要開發新的技術。

研究人員在密歇根大學的Lurie納米加工設施使用了一台JEOL電子束光刻（EBL）機器。為了在一個彎曲的自由曲面光學元件上寫入元表面，他們首先使用激光探針測量系統創建了一個自由曲面的三維地圖。然後將三維地圖編入JEOL機器，以指定每個納米結構需要在什麼高度製造。研究人員經過多次迭代過程，成功實現了製造。