2025 年 7 月 10 日，一篇于发表在《自然》旗下期刊《科学报告》的论文，详细公开了一款专为光波导增强现实 (AR) 眼镜设计的全新高性能准直透镜，其在光学设计理论与实践上均取得了显著突破。

该设计由中国台湾的孙文信 (Wen-Shing Sun) 教授及其团队完成，不仅成功实现了 65 度的超大对角线视场角 (FOV)，更通过精巧的结构设计和严谨的理论分析，在像差控制方面达到了新水平。

图为光波导 AR 眼镜的基本光学结构，本次设计的核心在于中间的准直透镜组

 理论基石：平面光波导的“零赛德尔像差”特性 

在设计高性能 AR 光学系统时，一个核心难题是如何协同优化准直透镜与光波导这两个关键组件。传统观点认为，光波导镜片本身会对成像质量产生复杂影响。

然而，该研究团队通过严谨的数学推导，从根本上澄清了这一问题。基于赛德尔像差 (Seidel aberrations) 理论，论文证明，当一束准直光（平行光）垂直入射一个理想的平面玻璃光波导时，其引入的七种主要单色和色像差——球差 (Spherical aberration, SI)、彗差 (Coma, SII)、像散 (Astigmatism, SIII)、场曲 (Field curvature, SIV)、畸变 (Distortion, SV)、轴向色差 (Axial color, CI) 和横向色差 (Lateral color, CII)——其理论值全部为零。

这一结论至关重要，因为它揭示了只要保证从准直透镜射入光波导的光线是理想的平行光，光波导本身并不会劣化成像质量。这为光学设计带来了极大的便利，设计师可以将准直透镜作为一个独立的、高性能的模块进行极致优化，而无需在设计阶段过度考虑光波导的具体材质和厚度，从而实现光学系统的模块化开发。

 先进的透镜结构与性能规格 

为了在实现 65 度超大视场角的同时，输出高质量的准直光束，该团队设计了一套复杂而高效的透镜系统。

透镜组成：该系统由 8 个镜片构成，包括四片球面玻璃透镜和三片塑料非球面透镜，以及一片平坦的保护玻璃。其中，四片玻璃透镜中精心设计了三片式消色差透镜组 (triplet achromatic lenses)，专门用于校正和最小化色差。采用玻璃与塑料混合、球面与非球面结合的方式，是在成本、重量和像差校正能力之间取得最佳平衡的体现。

核心性能指标：

• 视场角 (FOV): 对角线 65°。
• 光圈大小 (Aperture Stop): 10 mm，位于透镜第一片表面。
• F 值: 2.046。
• 角分辨率: 高达 45 PPD (每度像素数)——基于1.03英寸Micro-OLED（2560x2560）。
• 成像质量 (MTF): 在关键的 60 cycles/mm 空间频率下，全视场的调制传递函数 (MTF) 值均高于 0.5，确保了图像从中心到边缘都保持极高的锐利度和对比度。

 人眼视觉为中心的像差控制与评价 

仅仅控制传统的像差参数并不足够。为了使光学性能的评价更符合人眼的实际感知，团队引入并重点优化了两项创新指标。

线分辨率 (Line Resolution) - 解决“畸变”问题: 传统的光学畸变 (Optical Distortion) 值虽然能描述整体变形，但无法精确反映人眼对屏幕边缘线条弯曲 (line warping) 的敏感度。团队采用了在消费电子领域更为直观的电视畸变 (TV distortion) 概念，通过计算视场边缘（0.707 至 1.0 视场范围）图像最大与最小高度差，来量化线条的弯曲程度。

该设计的最大和最小光学畸变值分别为 0.82132% 和 0.79483%，差值极小，计算出的水平电视畸变仅为 0.02631%。最终换算为与人眼分辨率直接对比的像方线分辨率 (image-space horizontal line resolution)，其值为 0.407 角分。这远低于人眼 1 角分的感知阈值，意味着用户在佩戴时，看到的虚拟屏幕边框将是完美的直线，不会有任何可察觉的扭曲。

横向色分辨率 (Lateral Color Resolution) - 解决“色散”问题: 大视场角镜头极易在图像边缘产生横向色差 (Lateral Color)，即不同颜色的光点成像位置不一，表现为物体的边缘出现“紫边”或“绿边”。为了精确控制这一影响观感的核心问题，团队对三个关键波长（F-line 蓝光, d-line 黄光, C-line 红光）的光线进行了追迹分析。 分析表明，系统产生的最大物理色散位移（即不同颜色光点在显示屏上的最大分离距离）仅为 4.012 微米 (μm)。团队将其换算为被人眼感知的角度，得出的像方横向色分辨率 (image-space lateral color resolution) 为 0.675 角分。同样，这一数值也远低于人眼 1 角分的极限，确保了用户看到的虚拟图像色彩纯净、边缘清晰，不会有恼人的色散现象。

 制造可行性分析 

为确保设计不仅停留在理论层面，团队还进行了详尽的公差分析 (tolerance analysis)。通过模拟透镜在实际制造和装配过程中可能出现的各种误差（如曲率半径、厚度、折射率、倾斜、偏心等），评估了批量生产时产品的成像质量。结果显示，在 97.7% 的累计概率下，即使在最差的情况下（1.0 视场切向），MTF 值依然能保持在 0.1499，证明了该设计具有很强的鲁棒性和实际量产的可行性。

这项研究通过坚实的理论推导和精密的工程设计，成功打造出一款在视场角、分辨率、畸变与色差控制等多个维度上均达到顶尖水平的 AR 准直透镜。