虚拟与增强现实的超透镜实现RGB消色差对焦

由美国哈佛大学、波士顿大学及新加坡国立大学研究人员合作设计了一种无色无像差的超透镜可以为虚拟现实实现RGB消色差对焦 。这项研究发表在《Science advance 》。

图1，在2英寸的玻璃晶片（左）上制作的金属片和通过压电管（右）安装的扫描光纤。光纤尖端位于金属透镜的焦距内。光沿着光纤传输并从扫描光纤尖端发出，在扫描光纤尖端形成显示图案。 来源：哈佛大学。

尽管在过去的几十年里消费技术取得了很大的进步，但有一个组件仍然停滞不前：光学镜头。与电子设备不同的是，电子设备在过去的几年里变得越来越小，效率也越来越高，而如今光学透镜的设计和基本物理在大约3000年里并没有太大变化。这一挑战已经成为下一代光学系统虚拟现实和增强现实技术发展的瓶颈。随着虚拟现实和增强现实技术正在迅速发展，但是它们的大规模普及将需要具有小像差，结构紧凑、重量轻且具有成本效益的光学组件。

2018年，卡帕索的团队开发出了无色、无像差的金属透镜，可以覆盖整个可见光光谱。这是一种通过局部设计亚原子的波导模式（或共振模式）以补偿色散来实现较宽带宽的消色差金属透镜。 然而，由于用亚原子可获得的有限的群延迟，这种消色元的直径尺寸为几十微米，对于虚拟现实和增强现实系统来说太小了，从而限制了它们的实际应用。

在哈佛大学约翰•A•保尔森工程与应用科学学院（SEAS），由罗伯特•L•华莱士（Robert L.Wallace）应用物理学教授和文顿•海耶斯（Vinton Hayes）电气工程高级研究员费德里科•卡帕索（Federico Capasso）领导的研究团队，一直在开发下一代透镜，通过使用纳米结构聚焦光的简单平坦表面取代笨重的曲面透镜，有望打开这一瓶颈。他们已经开发了一种两毫米，高NA，亚微米级薄的消色差金属透镜，它可以聚焦RGB（红、蓝、绿）色而不产生像差，并开发了一种用于虚拟和增强现实应用的微型显示器。

像以前的超透镜（metalenses）一样，这种透镜使用二氧化钛纳米鳍阵列来均匀聚焦光的波长并消除色差。通过设计这些纳米阵列的形状和图案，利用来自多个区域的光的相长干涉和色散工程实现了原色的衍射极限消色差聚焦，可以控制红光、绿光和蓝光的焦距。研究人员为了说明这种方法的潜力，将这种镜头整合到虚拟现实系统中，他们演示了基于家用光纤扫描近眼显示器的虚拟现实系统，这是一种基于RGB消色差金属元素的VR平台，VR如下图所示：

图2，（A）顶部，VR模式的示意图。 底部，显示其工作原理的剖视图。 FML是金属元素的焦距，L（约7 cm）是眼睛缓解距离。 （B）近眼纤维扫描显示器的示意图。 （C）在λ= 548 nm的绿光照明下使用无源显示器进行VR成像的结果。 比例尺，20μm。 （D）（C）的放大图。 屏蔽图案内的点模拟像素颗粒，其直径为1300 nm并且可以清楚地分辨。比例尺，10μm。来源：原文。

这种显示器的设计灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像技术，它使用光纤穿过压电管。当一个电压被施加到电子管上时，光纤尖端会左右上下扫描显示图案，形成一个小型化的显示器。设计的NA = 0.7的RGB消色差金属离子由681个使用TiO2偏原子的区域组成。每个单独的区域都被设计为对470至670 nm范围内的可见光进行消色差聚焦，并且每个区域中的亚原子的群延迟分别为2和4 fs。优化区域边界处的相位不连续性，以将设计波长488、532和658 nm聚焦在相同的焦距下。 该显示器具有高分辨率、高亮度、高动态范围、宽色域等特点。消色差金属透镜放置在眼球的前面，显示器放置在金属透镜的焦平面内。

显示器上显示的图像被金属元素放大，并通过目镜晶体聚焦到视网膜上，并形成远距离出现的虚像。对于人眼来说，图像以AR模式显示为风景的一部分，与我们的实际眼睛有一定距离。在实验中，他们使用了筒镜来模拟眼透镜晶体，并使用了CMOS相机来模拟视网膜。该研究展示了元光学平台如何帮助解决当前虚拟现实技术的瓶颈，并有可能在我们的日常生活中使用。

色散和区域干扰的共同设计开创了金属元素设计的新范式，它代表了正向和反向设计方法的结合。 他们已经展示了一种通向大而薄的透镜的路径，该透镜可以通过工程化偏原子的分散并控制每个位置的相长干涉，同时实现多波长衍射受限的高NA消色差聚焦。 这项工作中展示的元光学为未来的VR / AR应用提供了新的途径。

卡帕索说：“这种最先进的镜头为新型虚拟现实平台开辟了一条道路，并克服了阻碍新型光学设备发展的瓶颈。”。这是迄今为止最大的RGB消色差金属透镜，证明了这些透镜可以放大到厘米大小，批量生产，并集成到商业平台中。

下一步，该团队的目标是进一步扩大镜头的规模，使其与当前大规模制造技术兼容，以低成本进行大规模生产。