Feature Article | 新型多功能超透镜助力AR显示集成化

研究背景

      近年来，以三维显示、计算机交互技术等为核心的虚拟现实（virtual reality, VR）和增强现实（augmented reality, AR）技术正潜移默化地影响着人类认识世界和改造世界的方式，近眼VR/AR设备被广泛应用于医疗、军事、教育和娱乐等领域，已然成为学术界和产业界的研究热点。考虑到用户对AR显示设备沉浸感和舒适度的需求，如何减小显示系统的体积和重量，成为了当下AR显示技术面临的最大挑战之一。在此背景下，紧凑型光学元件是解决这一问题的关键方向。

      超表面是一种由亚波长级纳米谐振器阵列构成的超薄平面元件，它可以突破传统折射和衍射光学的局限，在纳米级尺寸范围内自由调控出射光波前。超表面的紧凑外形、高分辨率和波前调制灵活性，也使其更容易集成于采用新型三维显示技术的AR显示系统中，在解决上述VR/AR难题方面展现出巨大的潜力。

      此前已经发表的相关工作中，可应用于AR显示系统的超透镜元件因其单一的透射/反射功能往往需要额外的光学合成器（如分光镜，图1a）才可以达到虚实融合的效果，这使得系统的体积、重量和复杂度增加。如何克服这一系统限制，实现AR近眼显示的真正紧凑集成化，仍是非常有挑战性的课题。

论文导读

     近年来，国内外研究学者面向显示系统提出的新型超表面设计多为单一透射式/反射式元件[1,2]，它们相比于VR显示系统有突出优势，但往往需要额外的光学合成器才能应用于AR显示系统中，实现在真实场景之上叠加虚拟场景的效果。有研究团队通过增加额外的分束器件成功将一种透射式全介质超透镜目镜应用于AR显示系统[3]。这样的方案虽然可以实现虚拟图像与真实场景的融合，但也大大增加了显示系统的体积、重量和复杂度，于优化用户的实际体验无益。近日，来自上海交通大学电子工程系的研究团队首次提出了一种光学可透视的反射式离轴超透镜元件。该元件可集目镜、透镜、分光镜的功能为一体，无需额外的光学合成器，就可以应用于AR显示系统实现虚拟信息和真实场景的融合呈现（图1b）。该研究成果于2022年11月30日以“Ultracompact multifunctional metalens visor for augmented reality displays”为题发表于PhotoniX。

技术突破

      研究团队提出的可透视反射式离轴超透镜可对45度离轴入射光实现反射聚焦的同时保持可见光波段的良好透射效果（图2a）。为满足所需的离轴透镜相位梯度分布，研究人员基于Pancharatnam-Berry（PB）相位调制原理设计了该超透镜的单元结构（图2b）旋转角分布。在优化过程中，与传统单一功能的超表面器件不同，该项工作采用反射和透射的综合优化指标，即在反射光一级衍射效率（图2c）和可见光宽谱透射效果（图2d）之间取得平衡，并对透射光的波前畸变进行优化分析。

      为了进一步验证该超透镜的光学表现，研究团队基于电子束光刻（EBL）技术成功制备出工作波长为633 nm的超透镜样品。实验结果表明，该透镜在入射波长为457nm、532nm以及633nm时表现出接近衍射极限的焦斑大小（图3）及工作波长处16.03%的聚焦效率。利用光谱仪实际测量的透射谱也与仿真结果高度匹配。

      最后，研究团队成功在一个AR显示系统模型中完成了该超透镜的多功能实验验证。经过严格调整入射光的准直性和角度，用于模拟人眼的相机成功捕捉到清晰可辨的虚拟图像以及透过该元件的真实场景（图4）。模型中的虚拟图像可清晰呈现在任意深度，这是由于该成像系统采用了Maxwellian-view视网膜投影技术，该技术基于小孔成像原理使得虚拟光可以独立于人眼晶状体的调焦，在视网膜处提供始终清晰的图像和更大的景深。

观点评述

      研究团队提出的可透视反射式离轴超透镜，对45度斜入射的红光实现反射聚焦的同时对来自另一侧入射的白光保持良好的透射性能。该元件可集目镜、透镜和分光镜的功能为一体，不再需要额外的光学合成器，与传统透射/反射超透镜相比，大大降低了近眼AR显示系统的复杂度、体积和重量。此外，该元件结合新型三维显示技术将有助于实现无立体视觉疲劳的真三维AR显示，真正从用户体验角度出发，提高近眼AR设备的沉浸感和舒适度。该项研究有助于推动光学多功能集成元件的发展，对拓宽超表面在更多跨学科领域中的应用具有重要意义。

主要作者

      李燕，上海交通大学副教授、晨星学者、凯原十佳教师。研究方向为增强现实显示、3D显示、液晶器件等。在光学、显示领域知名期刊会议发表论文100多篇，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等项目。现任SPIE Photonics West、SID Display Week、ICDT等国际会议的技术委员，以及Optics Express、Photonics Journal、Journal of Society for Information Display期刊的副编辑。

      陈舒怡，上海交通大学电子工程系硕士研究生，研究方向为超表面器件设计及其在增强现实显示系统中的应用。

      梁浩文，中山大学副教授，研究方向为先进光学成像与显示，在光学超透镜成像、虚拟现实与增强现实显示及其医工结合等领域取得系列研究成果。参与研发了超大数值孔径光学超构透镜。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划课题等多项省部级项目。近年来在Optica、Nano Letters、Laser & Photonics Review等SCI期刊发表论文40余篇，授权发明专利10余项。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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