技术前沿 | 超表面AR近眼显示

Advanced Photonics 2023年第3期文章：

Zeyang Liu, Danyan Wang, Hao Gao, Moxin Li, Huixian Zhou, Cheng Zhang. Metasurface-enabled augmented reality display: a review[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(3): 034001

增强现实（Augmented Reality, AR）早在1990年由前波音公司研究员 Tom Caudell提出，在过去的三十多年里，随着移动电子产品运算能力的提升，增强现实的用途也越来越广泛。增强现实是一种结合了现实世界景象和计算机生成内容的交互体验。这些内容可以跨越多种感官模式，包括视觉、听觉、触觉等。以这种方式，增强现实改变了人们对真实环境的持续感知，这种感知与物理世界无缝地交织在一起，从而被视为对真实环境的沉浸式体验。理想的AR显示系统需要同时兼顾重量轻、便携性高、成像质量好等特点。

然而，当前的AR显示系统基于传统折射、反射和衍射光学元件的组合。受物理机制限制，这些传统光学元件只能提供有限的光场调制能力，同时还存在体积庞大、色散严重等问题，因此无法同时为AR显示系统提供紧凑的尺寸和良好的显示性能，包括宽视场角（field of view，FOV）、高色彩精度和大眼盒范围（eye box）。近年来，超表面技术，通过定制化的超原子（meta-atom）操控入射光的振幅、相位以及偏振，能够模拟传统折射、反射或衍射光学元件的功能。超表面技术表现出独特的优势，如紧凑的结构尺寸和灵活的光场调控能力，因此被广泛认为能够克服当前AR显示系统面临的一些限制。

基于超表面的AR近眼显示的相关研究在近些年不断取得进展。在此基础上，华中科技大学的张诚教授领衔撰写综述，回顾了基于超表面的AR显示技术，详细分析了三种主流超表面器件，即超透镜（metalenses）、超表面耦合器（metacouplers）和超表面全息器件（metaholograms），以及它们能够在不同形式的AR显示中发挥的作用。研究人员阐明了以上三种器件的物理原理、设计方案和相关AR显示系统的特点和优势。该综述论文以“Metasurface-enabled Augmented Reality Display: A Review”为题，发表在Advanced Photonics 2023年第3期。

根据核心光学元件的不同形式，目前主流AR显示方案可以大致分为四类：传统光学方案、自由曲面光学方案、全息光学方案和光波导方案。一个AR显示系统通常由以下几个性能因素来描述，包括视场（field of view，FOV）、眼盒范围（eye box）、角度分辨率（angular resolution）和焦点提示（focal cue）。通过引入超表面器件，包括主流的超透镜、超表面耦合器和超表面全息器件等，研究人员在一步步地突破传统光学器件带来的性能因素限制。这些器件能够有效替代传统光学元件，有潜力被广泛用于新兴的AR显示系统中，以提高其紧凑性和显示性能。图1展示了这三种类型的超表面器件在波导AR显示系统中的潜在作用。

图1 基于多种超表面器件的波导AR显示系统概念示意图，系统中使用了三种类型的超表面器件，包括超透镜、超表面耦合器和超表面全息器件

早在2011年，哈佛大学Capasso教授研究团队利用V形金属纳米天线引入等离激元共振，实现了相位突变的产生，基于此构造了具有相位梯度的超表面并实验观察到光束异常偏转。2012年，复旦大学周磊教授研究团队利用H形金属纳米天线构建相位梯度，补偿传输波和表面波这两种不同电磁模式间的波矢差，通过超表面实现了由传输波向表面波的高效耦合。2013年，普渡大学Shalaev教授研究团队利用V形金属纳米孔同时调控透射光的振幅和相位，构造了超薄的超表面全息图，其厚度仅为30 nm，是当时已知最薄的全息元件。2018年，南京大学祝世宁院士研究团队和台湾大学蔡定平教授研究团队提出了一种由GaN谐振单元组成的覆盖整个可见光波段的消色差超透镜，平均工作效率达40%，并实现了全彩成像。超透镜通过超原子引入相位突变实现光束聚焦，相较于传统透镜能够提供更高的数值孔径（NA）、更紧凑的结构尺寸以及更丰富的成像功能，因此在对系统尺寸和成像质量都有较高要求的AR显示系统中展现出广阔应用前景。韩国首尔国立大学的研究团队于2018年利用各向异性超表面单元，构造高数值孔径、大器件尺寸和宽工作带宽的超透镜，实现了小尺寸、大视场角、高分辨率的彩色AR显示（图2）。

图2 一种基于超透镜的AR显示（a）基于超透镜的AR显示系统示意图；（b）AR显示成像结果（G. Y. Lee et al., Nat. Commun. 9, 4562, 2018）

对于目前的波导AR显示系统，其面临两个主要限制，即较小的视场角和较大的色差。近年来得到广泛探索的超表面耦合器，比传统耦合器具有更高的设计自由度和更强大的光场调制能力，是突破以上限制的一种有效途径。偏振敏感型超表面耦合器，能够选择性地将某一特定偏振态的光耦合输入波导板或从波导耦合输出，因此可以通过偏振复用的方式扩大波导显示的视场角。

此外，偏振复用的方式也可以被用来实现立体AR显示。2021年，密歇根大学与华中科技大学的合作研究团队利用椭圆形的金纳米棒阵列构建超表面耦合器，实现了由入射光手性决定的单向波导耦合。利用此特性构筑了一种波导AR显示系统，能够将由相反手性圆偏振光携带的两幅视差图像（正八面体的不同视角）投影到不同眼睛中，实现视差立体AR显示（图3）。

图3 一种基于超表面耦合器的波导立体AR显示（a）基于超表面耦合器的波导立体AR显示系统示意图；（b）位于波导中心区域的超表面输入耦合器和位于波导两侧区域的浮雕输出光栅的电子显微镜照片；（c）相机在两个眼盒区域分别捕获的AR成像结果，两幅视差图像可以分别被投影到不同眼睛中，实现视差立体AR显示（Z. Liu et al., ACS Photonics 8, 1112, 2021）

此外，超表面全息器件通过亚波长的结构单元编码全息图像信息，可以对入射光施加更灵活多样的光场调控。相较传统全息器件，超表面全息器件能够以更小的结构尺寸、更高的工作效率生成具有更高空间分辨率和更宽发散角的二维及三维全息图像。超表面全息器件可以作为AR显示系统的微型图像源，为系统提供高质量的单色或彩色全息图像。研究人员利用超表面全息器件，并结合不同的光学元件作为投影系统，实现了具有多种功能特色的AR显示（图4）。

图4 基于超表面全息器件的各类AR显示（a，b）基于超表面全息器件的立体AR显示示意图和实验结果；（W. Song et al., Laser Photonics Rev. 15, 2000538, 2021）（c，d）基于超表面全息器件的视网膜AR显示示意图和实验结果；（W. Song et al., Adv. Opt. Mater. 11, 2202348, 2023）（e，f）基于超表面全息器件的彩色AR显示示意图和实验结果（Y. Shi et al., Laser Photonics Rev. 16, 2100638, 2022）

关于材料和制备工艺，用于AR显示的超表面器件通常使用在可见光波段具有低光学损耗的电介质材料。为了有效地调控入射光相位，高折射率（n约为2.0或更高）的介电材料为超表面构成材料的首选。常见材料包括二氧化钛（TiO₂）、氧化铪（HfO₂）、氮化镓（GaN）和氮化硅（SiN_x）等。超表面的结构图案一般可以通过深紫外（deep ultraviolet, deep-UV）或电子束（e-beam）光刻来产生。近年来研究人员也开发了一些非常规的超表面加工技术，来实现高产量、大面积、高深宽比结构的超表面器件加工。镶嵌光刻工艺（damascene lithography）通过将构成材料填充到纳米孔洞中，不依赖刻蚀过程即可形成柱状结构，因此适合于加工由不易刻蚀材料构成的超表面器件（图5a）。此外，纳米压印技术（nanoimprint lithography, NIL），在加热或紫外线照射的情况下，通过机械模压产生纳米到微米级的结构，是实现低成本和高产量的大面积超表面器件制造的有效方法之一（图5b）。

图5 用于AR显示的超表面器件制造工艺（a）镶嵌光刻工艺流程和加工的器件（基于HfO₂的紫外超透镜）；（b）纳米压印光刻技术和加工的器件（基于包含TiO₂纳米颗粒的紫外压印胶的可见光超透镜）

通过其强大的光场调制能力和较小的结构尺寸，超表面器件正在实现具有更好成像质量、更先进成像功能、更低重量和更紧凑尺寸的新型AR显示系统。然而，为了最终实现超表面AR显示器件的商业化和广泛应用，还需要克服一系列挑战，如宽带消色差超透镜受限于较低的NA值和较小的器件尺寸，消色差超表面耦合器尚缺少易于加工的器件设计，超表面全息器件无法实时投影任意的全息图像等。与此同时，研究人员也提出了一系列解决方案来应对上述问题，相关的研究也在持续跟进。

总而言之，超表面技术在提高AR显示器件各方面的性能上有着巨大的潜力。除了上述介绍的研究工作之外，超表面还能够丰富AR眼镜的功能性，如实现眼球追踪和防止镜片成雾（anti-fogging）；利用超表面替代传统光学组件，如波片、偏振片、分束器和滤色片，能够进一步减小系统尺寸；超表面在提高微显示器分辨率方面也展现出了优势，如集成了超表面的有机发光二极管（OLED）显示器，其空间分辨率可以超过每英寸10,000像素（PPI）等等。因此超表面有望成为未来AR显示和相关应用的核心技术之一，在AR显示器件中发挥多种作用。

感受增强视觉黑科技

尽在2023第十四届光电子产业博览会

2023年7月26日至28日，北京光博会将在北京国家会议中心盛启，汇聚红外微光技术、激光智能制造、光通信、物联网、光学制造、测控技术、创新科技、微纳制造等八大主题展。

与AR VR技术领军企业和专业人士面对面交流，分享创新理念，了解最新产品和技术趋势。同时，还有专业论坛、技术演示、产品发布会等活动。

2023年7月26日至28日，北京光博会，连接你与AR VR的未来！

扫描二维码或点击“阅读原文”即刻注册！