基于超構(gòu)表面的AR顯示技術(shù)介紹

近日，華中科技大學(xué)張誠(chéng)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，文章回顧了基于超構(gòu)表面的AR顯示技術(shù)，詳細(xì)分析了三種典型超構(gòu)表面器件，即超構(gòu)透鏡（metalenses）、超構(gòu)表面耦合器（metacouplers）和超構(gòu)表面全息器件（metaholograms）在AR顯示領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以及它們?cè)诓煌问降腁R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(shè)計(jì)方案和相關(guān)AR顯示系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。張誠(chéng)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(xiàn)，華中科技大學(xué)為唯一研究單位。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality, AR）是一種結(jié)合了現(xiàn)實(shí)世界景象和計(jì)算機(jī)生成內(nèi)容的交互體驗(yàn)。這些內(nèi)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(shù)改變了人們對(duì)真實(shí)環(huán)境的持續(xù)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(duì)真實(shí)環(huán)境的沉浸式體驗(yàn)。理想的AR顯示系統(tǒng)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(dāng)前的AR顯示系統(tǒng)基于傳統(tǒng)折射、反射和衍射光學(xué)元件的組合。受物理機(jī)制限制，這些傳統(tǒng)光學(xué)元件只能提供有限的光場(chǎng)調(diào)制能力，同時(shí)還存在體積龐大、色散嚴(yán)重等問題，因此無(wú)法同時(shí)為AR顯示系統(tǒng)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，F(xiàn)OV）、高色彩精度和大眼盒范圍（eye box）。近年來，一種平面光學(xué)元件——超構(gòu)表面得到了廣泛研究和快速發(fā)展。通過定制化的超構(gòu)原子（meta-atom）操控入射光的振幅、相位以及偏振態(tài)，超構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)折射、反射或衍射光學(xué)元件的功能。超構(gòu)表面技術(shù)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸和靈活的光場(chǎng)調(diào)控能力，因此被廣泛認(rèn)為能夠克服當(dāng)前AR顯示系統(tǒng)面臨的一些限制。

根據(jù)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：傳統(tǒng)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(dǎo)方案。AR顯示系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)性能因素來描述，包括視場(chǎng)（field of view，F(xiàn)OV）、眼盒范圍（eye box）、角度分辨率（angular resolution）和焦點(diǎn)提示（focal cue）。超構(gòu)表面器件，包括主流的超構(gòu)透鏡、超構(gòu)表面耦合器和超構(gòu)表面全息器件等，能夠有效替代AR顯示系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光學(xué)元件，提高系統(tǒng)的緊湊性和顯示性能。圖1展示了這三種類型的超構(gòu)表面器件在波導(dǎo)AR顯示系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。

基于多種超構(gòu)表面器件的波導(dǎo)AR顯示系統(tǒng)概念示意圖。系統(tǒng)中使用了三種類型的超構(gòu)表面器件，包括超構(gòu)透鏡、超構(gòu)表面耦合器和超構(gòu)表面全息器件。

超構(gòu)透鏡通過超構(gòu)原子陣列引入空間變化的相位突變實(shí)現(xiàn)光束聚焦。相較于傳統(tǒng)折射透鏡，超構(gòu)透鏡能夠提供更高的數(shù)值孔徑、更緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸以及更豐富的成像功能，因此在對(duì)系統(tǒng)尺寸和成像質(zhì)量都有較高要求的AR顯示系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。超構(gòu)透鏡可以用于對(duì)微顯示器中的圖像進(jìn)行準(zhǔn)直和投影，構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊的AR顯示系統(tǒng)。對(duì)于目前基于光波導(dǎo)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。近年來得到廣泛探索的超構(gòu)表面耦合器，比傳統(tǒng)耦合器具有更高的設(shè)計(jì)自由度和更強(qiáng)大的光場(chǎng)調(diào)控能力，是突破以上限制的一種有效途徑。偏振敏感型超構(gòu)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(dǎo)板或從波導(dǎo)板耦合輸出，因此可以通過偏振復(fù)用的方式擴(kuò)大波導(dǎo)顯示的視場(chǎng)角或?qū)崿F(xiàn)視差立體AR顯示。此外，超構(gòu)表面全息器件通過亞波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)單元編碼全息圖像信息，可以對(duì)入射光施加更靈活多樣的光場(chǎng)調(diào)控。相較傳統(tǒng)全息器件，超構(gòu)表面全息器件能夠以更小的結(jié)構(gòu)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。超構(gòu)表面全息器件可以作為AR顯示系統(tǒng)的微型圖像源，為系統(tǒng)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，超構(gòu)表面還能夠豐富AR眼鏡的功能性，如實(shí)現(xiàn)眼球追蹤和防止鏡片成霧（anti-fogging）；利用超構(gòu)表面替代傳統(tǒng)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(tǒng)尺寸；超構(gòu)表面在提高微顯示器分辨率方面也展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，如集成了超構(gòu)表面的有機(jī)發(fā)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。因此超構(gòu)表面有望成為未來AR顯示和相關(guān)應(yīng)用的核心技術(shù)之一，在AR顯示器件中發(fā)揮多種作用。然而，為了最終實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面AR顯示器件的商業(yè)化和廣泛應(yīng)用，還需要克服一系列挑戰(zhàn)，如寬帶消色差超構(gòu)透鏡受限于較低的數(shù)值孔徑（NA）和較小的器件尺寸，消色差超構(gòu)表面耦合器尚缺少易于加工的器件設(shè)計(jì)，超構(gòu)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應(yīng)對(duì)上述問題，作者在文章的最后也對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)和展望。

華中科技大學(xué)張誠(chéng)教授課題組從事光學(xué)超構(gòu)表面、超構(gòu)材料、新型光電材料的研究（http://light.oei.hust.edu.cn）。近年來在Light: Science & Applications、Advanced Photonics、Nature Communications、Nano Letters、Advanced Optical Materials等期刊發(fā)表多篇論文，并獲得多個(gè)研究項(xiàng)目資助。

編輯：黃飛

?