超穎介面實現微型化且具光譜選擇性的擴增實境系統

我們很高興分享實驗室近期發表於 Nano Letters 的研究成果：「Two-Dimensional Topology Optimized Nonlocal Metasurfaces for Augmented Reality」。在這項研究中，我們結合非局域超穎介面（nonlocal metasurface）與二維拓樸最佳化（2D topology optimization），開發出能在單一平面奈米結構中精準選擇紅、綠、藍（RGB）不同波長的超薄光學元件，並進一步將它實際整合至擴增實境（AR）光學系統中。

為什麼 AR 需要新的光學元件？

AR 眼鏡必須同時讓我們看見真實世界，以及顯示器所產生的虛擬影像。傳統上，這需要透過多個透鏡、反射鏡或導光元件來控制光線，不但增加系統的體積與重量，也可能造成效率降低、色彩串擾，以及顯示光向外洩漏等問題。

超穎介面提供了另一種可能：利用厚度僅在奈米尺度的人工微結構直接操控光線，讓原本需要較大型光學元件才能完成的功能，整合至一個平面元件中。

但我們進一步問了一個問題：除了控制光往哪裡走，我們能不能同時精準決定「哪一種顏色的光」可以被控制？

從控制單一奈米結構，到讓整個結構共同控制光

這正是非局域超穎介面與一般超穎介面最大的不同之一。

傳統的局域型（local）超穎介面，可以把每個奈米結構想像成一個獨立工作的微小光學元件；而在非局域超穎介面中，光學響應來自許多奈米結構之間的集體作用。這種共振效應可以產生非常窄的光譜響應，也就是只對特定波長產生強烈作用，而對鄰近波長幾乎沒有反應。

我們採用共振導波光柵（resonant waveguide grating, RWG）作為非局域光學平台，再利用二維拓樸最佳化，讓電腦在平面中自由尋找適合的奈米結構形狀。相較於過去主要沿單一方向進行的設計，增加第二個方向的自由度後，我們可以更獨立地調整不同共振，保留想要的 RGB 波段，同時抑制不需要的光譜響應。

讓演算法自己尋找最適合光的奈米結構

有趣的是，最佳化後得到的結構不再是傳統規則排列的簡單幾何圖形，而是由演算法找到的自由形狀（freeform）奈米結構。

這些看似不規則的圖案，其實是為了精準控制光而形成的結果。透過不同的最佳化目標，同一套設計方法可以選擇保留特定共振、抑制其他波長，或同時操控 RGB 多個光學通道。實驗結果也驗證了模擬所預測的窄頻、高效率與高色彩選擇性。

從奈米結構走向真正的 AR 顯示

我們不希望這項研究只停留在光譜或模擬，因此進一步製作實際元件，並將超穎介面整合至自由空間 AR 光學平台。

在這個系統中，超穎介面扮演 optical combiner 的角色：讓環境光穿過元件進入眼睛，同時將顯示器的特定 RGB 光反射至使用者方向。實驗成功呈現具有高色彩純度的虛擬影像，同時降低不需要的光譜洩漏。

這項特性對 AR 特別重要。理想的 AR combiner 不只是要讓虛擬影像「看得到」，還要同時考慮真實世界的透明度、顯示效率、色彩純度，以及避免顯示光向外洩漏。透過高 Q 值的窄頻共振，我們希望從光本身的頻譜與方向性出發，重新思考 AR combiner 的設計方式。

從「設計一個元件」走向「設計光譜」

這項研究的意義不只在於製作一個新的 AR combiner，更重要的是展示了二維拓樸最佳化如何成為設計非局域光學響應的工具。

當設計自由度從一維拓展到二維，我們不再只是調整一個共振的位置，而能更靈活地決定哪些共振應該被保留、增強或抑制。這種「以目標光譜反推奈米結構」的設計方式，未來除了 AR 顯示，也有機會延伸至光學防偽、多光譜感測，以及其他需要高度光譜選擇性的光子元件。

論文資訊

C.-Y. Hsu, H.-T. Su, W.-T. Kuo, W.-Z. Li, Y.-T. Liu, Y.-C. Chang, and Y.-W. Huang*, "Two-dimensional topology optimized nonlocal metasurfaces for augmented reality," Nano Letters 26(12), 4080–4088 (2026) - LINK & PDF