基于納米壓印超構(gòu)透鏡陣列的增強現(xiàn)實方案

研究人員基于超薄納米壓印超構(gòu)透鏡陣列開發(fā)出一種透視增強現(xiàn)實（AR）原型，開創(chuàng)了一種全彩、視頻速率和低成本的3D近眼顯示方案。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，集成成像（Integral imaging，II）顯示是一種光場顯示形式，利用透鏡/針孔陣列來捕獲和再現(xiàn)光場，是諾貝爾獎獲得者Gabriel Lippmann在一個多世紀(jì)前的發(fā)明。這項技術(shù)通過大量小透鏡陣列來重建整個圖像，類似于蒼蠅眼睛的機制。生成的圖像包括了原始三維（3D）物體的全部光場信息，類似于全息術(shù)。與全息術(shù)不同的是，這項技術(shù)并不局限于相干光源。集成成像顯示本身具有全視差和準(zhǔn)連續(xù)視點等屬性，呈現(xiàn)出真正的3D顯示，避免了視覺疲勞，而這正是雙目視差3D顯示中由于輻輳調(diào)節(jié)沖突而產(chǎn)生的常見問題。

在21世紀(jì)之前，由于技術(shù)限制，集成成像顯示的發(fā)展緩慢。近年來，由于算法的增強、制造能力的提高和高速數(shù)碼相機的出現(xiàn)，集成成像顯示技術(shù)迅速發(fā)展，尤其是在過去十年。平面超構(gòu)光學(xué)是下一代3D顯示技術(shù)的一個有前途的候選者，超薄超構(gòu)透鏡正在成為傳統(tǒng)大尺寸透鏡的理想替代品。超構(gòu)透鏡顯示出前所未有的在亞波長尺度操縱光的能力，包括對電介質(zhì)或等離子體超構(gòu)原子發(fā)射或反射光的振幅、相位、偏振和色散的精確控制。最近，超構(gòu)透鏡在集成成像顯示方面顯示出巨大的潛力，解決了傳統(tǒng)微透鏡陣列遇到的嚴(yán)重色差問題。然而，制造大規(guī)模的超構(gòu)透鏡陣列并將其用于集成成像顯示的商業(yè)微型顯示器仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。此外，用于編碼3D對象和創(chuàng)建元素圖像陣列的計算算法仍然太慢，無法實現(xiàn)用于實際視頻速率集成成像顯示的3D對象的實時渲染。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，在最近發(fā)表在eLight期刊上的一篇題為“Integral Imaging Near-eye 3D Display Using a Nanoimprint Metalens Array”的論文中，中山大學(xué)董建文教授和秦宗副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊介紹了大規(guī)模納米壓印超構(gòu)透鏡陣列在3D近眼集成成像顯示方面的應(yīng)用。所開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)合了大規(guī)模超構(gòu)透鏡陣列、商業(yè)微型顯示器和實時渲染算法，能夠產(chǎn)生具有運動視差和焦點提示的高質(zhì)量3D圖像。全彩色、實時、透視的超構(gòu)原型突出了所開發(fā)的器件在虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）中的應(yīng)用。研究人員采用納米壓印制造技術(shù)，在折射率為1.9的粘附材料上制造了大規(guī)模（1.84 mm × 1.84 mm）超構(gòu)透鏡陣列。4×4的高質(zhì)量超構(gòu)透鏡陣列通過3D打印支架與商業(yè)微型顯示器集成在一起。為了實現(xiàn)視頻速率集成成像顯示，研究人員還引入了一種新的渲染方法，利用了集成成像顯示中體素和像素之間的靜態(tài)映射。這種渲染方法可以繞過傳統(tǒng)的幾何投影，通過查找表實現(xiàn)實時性能。為了驗證超構(gòu)系統(tǒng)的真實3D顯示能力，研究人員還展示了一個能夠?qū)?D圖像與周圍物體融合的透視原型，展示了增強實現(xiàn)應(yīng)用。

基于超構(gòu)透鏡陣列的近眼集成成像顯示示意圖

基于納米壓印超構(gòu)透鏡陣列的增強現(xiàn)實概念圖

盡管用于高通量超構(gòu)表面制造的納米壓印光刻技術(shù)和實時渲染算法可以推動用于未來虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實應(yīng)用的集成成像顯示的發(fā)展，但該領(lǐng)域仍存在一些挑戰(zhàn)。例如，高分辨率圖像采集仍然是一個巨大的障礙，需要超小像素尺寸到亞微米尺度的微型顯示傳感器。然而，制造這種小型傳感器帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在這種情況下，具有高刷新率監(jiān)視器的時間復(fù)用光場可能提供一種可行的解決方案。其次，現(xiàn)有的納米壓印粘合劑的折射率仍然很低，需要高縱橫比的納米柱來構(gòu)建超構(gòu)透鏡，從而產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，降低高空間頻率的衍射效率。第三，真正交互式3D顯示器的開發(fā)需要使用動態(tài)超構(gòu)表面以實現(xiàn)快速可調(diào)諧性和低功耗。盡管已經(jīng)提出各種機制（例如相變和電光效應(yīng)）來實現(xiàn)動態(tài)超構(gòu)表面，但這一發(fā)展仍處于起步階段。值得注意的是，超構(gòu)表面與多個光自由度（例如偏振、波長、軌道角動量和時空光束）相互作用的獨特能力，為進一步增強基于超構(gòu)表面的顯示的動態(tài)功能和圖像容量打開了大門。除了硬件部分的努力，機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能（AI）的快速發(fā)展可以改善未來3D顯示技術(shù)的軟件部分。