这项研究由墨尔本大学的研究人员开发，提出了一种低成本的液体几何波导合并器原型，专为增强现实（AR）应用设计。该装置通过集成硅油和PolyJet 3D打印技术，简化了传统光学波导的制造步骤，替代了常规工艺中的切割、层粘接和抛光过程。研究表明，这种液体波导具有更高的制造效率、降低了材料成本，并优化了光的传输效率，具有较强的市场潜力。该波导结构经过精确的光学模拟，展现出良好的光学性能，适用于AR近眼显示设备。通过此技术，研究人员为AR领域的光学波导提供了一种更经济、可行的解决方案。
墨尔本大学的研究团队开发了一种低成本的液体几何波导合并器原型，专为增强现实（AR）应用设计。该装置通过集成硅油和PolyJet 3D打印技术，简化了传统光学波导制造中的复杂工艺。与常规的光学合并器制造方法不同，这种液体波导避免了切割、层粘接和抛光等步骤。相反，它通过将硅油填充在3D打印的框架中，然后将其密封在覆盖玻璃之间，利用预设槽口插入介质反射器。
这款原型设备的尺寸为38毫米长、28.5毫米宽、3.2毫米厚。它采用50°倾斜角度的三棱柱来将光线引入波导，同时通过三根并排的介质反射器（相隔2.024毫米，角度为25°）将光线引导到观察者的视野中。通过使用COMSOL Multiphysics软件中的有限元射线光学模块，研究人员优化了这些结构特征。光学模拟结果表明，波导内部的全反射保持了光的传输效率，通过准直镜投射出棋盘图像，并在模拟视网膜上进行重构。
该设备的制造使用了Stratasys的PolyJet平台。研究人员利用其J826系统，采用透明的RGD810树脂和水溶性的SUP707支持材料。为了确保打印表面的光滑，使用了氟化乙烯丙烯薄膜或平板玻璃作为打印床的底层。为了插入反射器，槽口的宽度从165微米到200微米不等，最终确定180微米为最佳对齐尺寸。反射器的厚度为175微米。为了协助注入硅油并帮助空气排出，设计中还加入了直径为0.5毫米的通气孔。
在插入反射器时，研究人员使用了精密镊子和显微镜进行操作。反射器之间的平行度通过天花板灯光的反射进行了目视检查，并使用具有1微米分辨率的显微镜舞台在多个点上测量距离。尽管这一过程比较耗时，研究人员建议可以在早期阶段省略这种检查，改用目视检查技术。对于更精确的对准方法，研究人员还指出了激光自准直仪或Fizeau干涉仪作为未来改进的方向。
框架采用了三片0.1毫米厚的玻璃进行密封，并使用等离子清洁后在受控压力下用紫外光环氧树脂粘合。密封完成后，使用27号针头和注射泵以0.2毫升/分钟的流速注入了粘度为20 cSt的硅油。为了密封通气孔，研究人员在注入硅油后涂上了UV树脂。硅油因其热稳定性和化学稳定性被选为理想材料，具有1.41的折射率，并在20°C的温度范围内，临界角仅变化0.28°。
光学特性测试使用了Cytoviva高光谱显微镜。反射器的透光率在400–700纳米可见光谱范围内的0°入射角下降低了3%，在25°入射角下平均减少了2%。使用Bruker Dimension Icon原子力显微镜测量了表面粗糙度，反射器的根均方根粗糙度（Rq）为1.4纳米，玻璃表面为1.3纳米。调制传递函数（MTF）性能在15个周期每度下进行评估，在透视模式下保持了70%的性能，在虚拟图像模式下为24%。
水平和垂直视场分别为19.52°和12.56°，通过将目标板放置在离眼睛瞳孔平面25厘米的距离上投影来测量。由于只使用了三根反射器，眼箱的水平和垂直方向分别仅限于约1毫米和2毫米。研究人员指出，增加反射器数量可以扩大眼箱和视场，但也会导致光学损失增加和功耗上升。
反射效率的测量是在暗室中使用单色CMOS传感器间接完成的。研究团队将投影仪的原始光输出与波导引导的光进行比较。记录的效率分别为460纳米时为4.48%、515纳米时为4.49%、625纳米时为4.56%。
手动组装过程中，精确切割和插入反射器存在一定挑战，且容易损坏。尽管这一过程劳动密集，但它允许快速的原型迭代。整个过程包括约3小时的3D打印、2小时的后处理和4小时的手动组装。总材料成本为18美元，其中反射器为12美元，设备使用费为3.30美元，树脂为1.10美元，硅油为0.70美元，玻璃为0.60美元。
为了应对液体介质的热膨胀（估算为900 ppm/°C），设计中包括了可选的气泡区域，以防止压力积聚。这些气泡会上升到顶部，并可以隐藏在上部密封区域中。尽管讨论了使用高折射率的透明液体，如显微镜浸油，但由于其高成本，研究人员认为这些液体不适合原型制作。
波导的性能还可能受到投影系统的限制。研究团队使用的是标准的LCoS投影仪，这可能与棱镜的瞳孔位置对不齐，从而降低了有效的眼箱。未来的研究中，定制设计的投影仪可能会解决这一问题。
在此项目中，德国光子自动化公司FiconTEC与团队合作开发了一种定制波导组装系统。该设备集成了一个龙门系统、压力感应反射器拾取器、UV胶水准备平台和高分辨率成像系统，用于精确对准。该系统目前正在评估中，旨在支持基于该团队专利方法的波导规模化生产。
研究人员选择玻璃作为密封材料，简单而有效，且保持了93%的稳定透光率。他们建议将蓝宝石作为未来的替代材料，因其硬度高且耐刮擦。其他改进可能包括采用抗反射涂层，如MgF₂或TiO₂/SiO₂，以减少宽视角下的反射损失。
参与该项目的研究人员来自墨尔本大学电气与电子工程系、神经动力学实验室以及KDH高级研究公司。
