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  3. 華中科技大學在超表面AR顯示研究領域取得新進展

    欄目:行業新聞 發布時間:2023-07-19
    文章回顧了基于超表面的AR顯示技術,詳細分析了三種典型超表面器件,即超透鏡(metalenses)、超表面耦合器(metacouplers)和超表面全息器件(metaholograms)在AR顯示領域的研究進展,以及它們在不同形式的AR顯示中發揮的作用。

    近日,華中科技大學張誠教授課題組以題目Metasurface-enabled Augmented Reality Display: A Review在期刊Advanced Photonics(影響因子17.3)上發表特約綜述,文章回顧了基于超表面的AR顯示技術,詳細分析了三種典型超表面器件,即超透鏡(metalenses)、超表面耦合器(metacouplers)和超表面全息器件(metaholograms)在AR顯示領域的研究進展,以及它們在不同形式的AR顯示中發揮的作用。

    研究人員闡明了以上三種器件的物理原理、設計方案和相關AR顯示系統的特點和優勢。張誠教授課題組博士后劉澤陽和王丹燕為本文的共同第一作者,博士研究生高豪、李墨馨、周慧賢為文章做出重要貢獻,華中科技大學為唯一研究單位。

    增強現實(augmented reality, AR)是一種結合了現實世界景象和計算機生成內容的交互體驗。這些內容可以跨越多種感官模式,包括視覺、聽覺、觸覺等。以這種方式,AR技術改變了人們對真實環境的持續感知,這種感知與物理世界無縫地交織在一起,從而被視為對真實環境的沉浸式體驗。

    理想的AR顯示系統需要同時兼顧重量輕、便攜性高、成像質量好等特點。然而,當前的AR顯示系統基于傳統折射、反射和衍射光學元件的組合。受物理機制限制,這些傳統光學元件只能提供有限的光場調制能力,同時還存在體積龐大、色散嚴重等問題,因此無法同時為AR顯示系統提供緊湊的尺寸和良好的顯示性能,包括寬視場角(field of view,FOV)、高色彩精度和大眼盒范圍(eye box)。

    近年來,一種平面光學元件——超表面得到了廣泛研究和快速發展。通過定制化的超原子(meta-atom)操控入射光的振幅、相位以及偏振態,超表面能夠實現傳統折射、反射或衍射光學元件的功能。超表面技術表現出獨特的優勢,如緊湊的結構尺寸和靈活的光場調控能力,因此被廣泛認為能夠克服當前AR顯示系統面臨的一些限制。

    根據核心光學元件的不同形式,目前主流的AR顯示方案可以大致分為四類:傳統光學方案、自由曲面光學方案、全息光學方案和光波導方案。AR顯示系統通常由以下幾個性能因素來描述,包括視場(field of view,FOV)、眼盒范圍(eye box)、角度分辨率(angular resolution)和焦點提示(focal cue)。

    超表面器件,包括主流的超透鏡、超表面耦合器和超表面全息器件等,能夠有效替代AR顯示系統中的傳統光學元件,提高系統的緊湊性和顯示性能。圖1展示了這三種類型的超表面器件在波導AR顯示系統中的潛在應用。

    圖1 基于多種超表面器件的波導AR顯示系統概念示意圖

    系統中使用了三種類型的超表面器件,包括超透鏡、超表面耦合器和超表面全息器件。

    超透鏡通過超原子陣列引入空間變化的相位突變實現光束聚焦。相較于傳統折射透鏡,超透鏡能夠提供更高的數值孔徑、更緊湊的結構尺寸以及更豐富的成像功能,因此在對系統尺寸和成像質量都有較高要求的AR顯示系統中展現出廣闊應用前景。超透鏡可以用于對微顯示器中的圖像進行準直和投影,構建結構緊湊的AR顯示系統。對于目前基于光波導的AR顯示方案,其面臨兩個主要限制,即較小的視場角和較大的色差。

    近年來得到廣泛探索的超表面耦合器,比傳統耦合器具有更高的設計自由度和更強大的光場調控能力,是突破以上限制的一種有效途徑。偏振敏感型超表面耦合器,能夠選擇性地將某一特定偏振態的光耦合輸入波導板或從波導板耦合輸出,因此可以通過偏振復用的方式擴大波導顯示的視場角或實現視差立體AR顯示。

    此外,超表面全息器件通過亞波長的結構單元編碼全息圖像信息,可以對入射光施加更靈活多樣的光場調控。相較傳統全息器件,超表面全息器件能夠以更小的結構尺寸、更高的工作效率生成具有更高空間分辨率和更寬發散角的二維及三維全息圖像。超表面全息器件可以作為AR顯示系統的微型圖像源,為系統提供高質量的單色或彩色全息圖像。

    除了上述介紹的研究工作之外,超表面還能夠豐富AR眼鏡的功能性,如實現眼球追蹤和防止鏡片成霧(anti-fogging);利用超表面替代傳統光學組件,如波片、偏振片、分束器和濾色片能夠進一步減小系統尺寸;超表面在提高微顯示器分辨率方面也展現出優勢,如集成了超表面的有機發光二極管(OLED)顯示器,其空間分辨率可以超過每英寸10,000像素(PPI)等等。

    因此超表面有望成為未來AR顯示和相關應用的核心技術之一,在AR顯示器件中發揮多種作用。然而,為了最終實現超表面AR顯示器件的商業化和廣泛應用,還需要克服一系列挑戰,如寬帶消色差超透鏡受限于較低的數值孔徑(NA)和較小的器件尺寸,消色差超表面耦合器尚缺少易于加工的器件設計,超表面全息器件無法實時投影任意的全息圖像等。

    與此同時,研究人員也提出了一系列解決方案來應對上述問題,作者在文章的最后也對此進行了總結和展望。(來源:華中科技大學)


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