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        華中科技大學(xué)在超表面AR顯示研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

        欄目:行業(yè)新聞 發(fā)布時(shí)間:2023-07-19
        文章回顧了基于超表面的AR顯示技術(shù),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A(yíng)R顯示領(lǐng)域的研究進(jìn)展,以及它們在不同形式的AR顯示中發(fā)揮的作用。

        近日,華中科技大學(xué)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(fā)表特約綜述,文章回顧了基于超表面的AR顯示技術(shù),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A(yíng)R顯示領(lǐng)域的研究進(jìn)展,以及它們在不同形式的AR顯示中發(fā)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(guān)AR顯示系統的特點(diǎn)和優(yōu)勢。張誠教授課題組博士后劉澤陽(yáng)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(xué)為唯一研究單位。

        增強現實(shí)(augmented reality, AR)是一種結合了現實(shí)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等。以這種方式,AR技術(shù)改變了人們對真實(shí)環(huán)境的持續感知,這種感知與物理世界無(wú)縫地交織在一起,從而被視為對真實(shí)環(huán)境的沉浸式體驗。

        理想的AR顯示系統需要同時(shí)兼顧重量輕、便攜性高、成像質(zhì)量好等特點(diǎn)。然而,當前的AR顯示系統基于傳統折射、反射和衍射光學(xué)元件的組合。受物理機制限制,這些傳統光學(xué)元件只能提供有限的光場(chǎng)調制能力,同時(shí)還存在體積龐大、色散嚴重等問(wèn)題,因此無(wú)法同時(shí)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(chǎng)角(field of view,FOV)、高色彩精度和大眼盒范圍(eye box)。

        近年來(lái),一種平面光學(xué)元件——超表面得到了廣泛研究和快速發(fā)展。通過(guò)定制化的超原子(meta-atom)操控入射光的振幅、相位以及偏振態(tài),超表面能夠實(shí)現傳統折射、反射或衍射光學(xué)元件的功能。超表面技術(shù)表現出獨特的優(yōu)勢,如緊湊的結構尺寸和靈活的光場(chǎng)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(xué)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(lèi):傳統光學(xué)方案、自由曲面光學(xué)方案、全息光學(xué)方案和光波導方案。AR顯示系統通常由以下幾個(gè)性能因素來(lái)描述,包括視場(chǎng)(field of view,FOV)、眼盒范圍(eye box)、角度分辨率(angular resolution)和焦點(diǎn)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(xué)元件,提高系統的緊湊性和顯示性能。圖1展示了這三種類(lèi)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(lèi)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(guò)超原子陣列引入空間變化的相位突變實(shí)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(zhì)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(jìn)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(gè)主要限制,即較小的視場(chǎng)角和較大的色差。

        近年來(lái)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(chǎng)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(tài)的光耦合輸入波導板或從波導板耦合輸出,因此可以通過(guò)偏振復用的方式擴大波導顯示的視場(chǎng)角或實(shí)現視差立體AR顯示。

        此外,超表面全息器件通過(guò)亞波長(cháng)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(chǎng)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(fā)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(zhì)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(shí)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(xué)組件,如波片、偏振片、分束器和濾色片能夠進(jìn)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(yōu)勢,如集成了超表面的有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器,其空間分辨率可以超過(guò)每英寸10,000像素(PPI)等等。

        因此超表面有望成為未來(lái)AR顯示和相關(guān)應用的核心技術(shù)之一,在A(yíng)R顯示器件中發(fā)揮多種作用。然而,為了最終實(shí)現超表面AR顯示器件的商業(yè)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(wú)法實(shí)時(shí)投影任意的全息圖像等。

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


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