超透鏡陣列可實現(xiàn)下一代真3D近眼顯示器

由于體積小、全視差、全彩顯示方便，更重要的是，通過消除會聚-調(diào)節(jié)沖突（VAC）實現(xiàn)真正的 3D 和更逼真的深度感知，所以集成成像顯示器成為最有前途的近眼顯示器（NED）之一。然而，基于傳統(tǒng)光學(xué)架構(gòu)的顯示器，在分辨率、視場、景深等方面受到限制，如微透鏡陣列。

隨著微型顯示器的像素密度越來越高，傳統(tǒng)的光學(xué)架構(gòu)在像素級光處理方面已經(jīng)不足。超光學(xué)器件具有突破這些瓶頸的潛力，其前所未有的靈活性，可以通過單片設(shè)備進行像素級光操作。Meta-II顯示器有望通過創(chuàng)造更身臨其境的體驗，成為邁向下一代虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）的一大步。

meta-II NED的3D AR效果，具有超透鏡陣列和微型顯示器的主要組件。虛擬3D圖像被重建以與棋子重合。 然而，在meta-II顯示器成為NED領(lǐng)域的主流之前，必須克服一些挑戰(zhàn)。 一個挑戰(zhàn)是，由于大面積高精度納米加工技術(shù)的不發(fā)達，超透鏡陣列（meta-II顯示器的關(guān)鍵組件）太小，無法與商用高分辨率微型顯示器及其設(shè)備相匹配。

另一個挑戰(zhàn)是，高分辨率可穿戴 NED 的渲染計算成本很高，因為元素圖像陣列（EIA）是輸入到 meta-II 顯示器的信號，必須針對每個視點進行計算，因此需要 GPU 加速。

幸運的是，納米加工和算法的最新進展為實用的 meta-II 顯示器開辟了可能性。隨著這些挑戰(zhàn)的克服，meta-II顯示器有望推動VR/AR顯示器的發(fā)展。它們可以徹底改變?nèi)藗兣c這些技術(shù)的交互方式，并最終成為 VR 和 AR 顯示器的標準。 在eLight上發(fā)表的一篇新論文中，由中山大學(xué)董建文教授和秦宗領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團隊創(chuàng)造了一種名為meta-II NED的新穎的真3D技術(shù)架構(gòu)，首次實現(xiàn)了超光學(xué)和顯示器在NED實際應(yīng)用中的結(jié)合。



（a）通過聚焦數(shù)字“3”和棋子“Rook”來捕獲圖像，并在右側(cè)紅框中放大細節(jié)。（b）聚焦于字母“D”和棋子“Pawn”拍攝的圖像。 meta-II NED結(jié)合了商用高像素密度微型顯示器和大面積超透鏡陣列。超透鏡陣列的最小特征尺寸約為100 nm，最大納米結(jié)構(gòu)高度約為500 nm，由高折射率納米壓印膠制成，采用高精度大面積納米壓印技術(shù)制造。

與電子束光刻相比，納米壓印技術(shù)可以快速復(fù)制許多超透鏡陣列樣品，尤其是大面積樣品。

低成本、大面積的納米壓印制造工藝使超透鏡陣列可用于大規(guī)模生產(chǎn)。為了匹配這種方便的meta-II NED架構(gòu)，開發(fā)了一種新的實時渲染方法，通過利用不變的體素像素映射，以平均幀率為67 FPS快速生成EIA。 通過單目對焦提示和運動視差對真3D顯示進行了實驗驗證。通過將 3D 圖像與周圍物體合并，實現(xiàn)了 meta-II NED 模塊的透視效果，顯示了 meta-II 顯示器在 AR 方面的更廣泛潛力。




審核編輯：劉清