盡管在過去的幾十年中，頭顯設(shè)備的技術(shù)取得了不小的進步，但光學鏡片的發(fā)展仍然停滯不前。多年來，電子設(shè)備的體型變得越來越小，效率也越來越高，但與之不同的是，如今光學透鏡的設(shè)計和基本物理原理在過去的3000年中都沒有發(fā)生太大變化。

這一挑戰(zhàn)為下一代光學系統(tǒng)(例如用于虛擬現(xiàn)實的可穿戴顯示設(shè)備)的開發(fā)帶來了瓶頸，這些系統(tǒng)需要緊湊、輕便且具有成本效益的組件。

在哈佛大學約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學學院(SEAS)，由Federico Capasso、應(yīng)用物理學教授Robert L.Wallace和電氣工程高級研究員Vinton Hayes組成的研究團隊一直在開發(fā)新一代光學鏡片，并有望通過使用簡單、平坦的納米結(jié)構(gòu)表面來聚焦光線，從而代替笨重的曲面鏡片。 

 

在2018年，Capasso的團隊開發(fā)了無色差且無像差的超透鏡(metalenses)，可在整個可見光譜范圍內(nèi)工作。但是這些鏡片的直徑只有幾十微米，太小以至于無法在VR和AR系統(tǒng)中實際使用。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種2毫米的無色超透鏡，可以無畸變地聚焦RGB(紅色，藍色，綠色)顏色，并開發(fā)了一種用于VR和AR的小型顯示器。

該研究論文已發(fā)表在《Science Advances》上。

該論文的資深作者Capasso說道：“這種先進的鏡片為通往新型虛擬現(xiàn)實平臺開辟了道路，并克服了阻礙新型光學設(shè)備發(fā)展的瓶頸。”

SEAS博士后研究員，該論文的第一作者Zhaoyi Li表示：“通過使用新的物理學和設(shè)計原理，我們開發(fā)了一種平面透鏡來替代當今光學設(shè)備中的笨重透鏡。這是迄今為止最大的RGB消色差超透鏡，并且證明了這些透鏡可以按比例放大至厘米大小，可批量生產(chǎn)以集成在商業(yè)平臺中。”

像以前的超透鏡一樣，這款新的超透鏡使用二氧化鈦納米鰭片陣列來平均聚焦光的波長并消除色差。通過設(shè)計這些納米陣列的形狀和圖案，研究人員可以控制紅色、綠色和藍色光的焦距。為了將鏡片整合到VR系統(tǒng)中，該團隊使用一種名為纖維掃描(fiber scanning)的方法開發(fā)了一種近眼顯示器。 

 

該顯示器的靈感來自基于纖維掃描的內(nèi)窺鏡生物成像技術(shù)，它采用了通過壓電管的光纖。當在管上施加電壓時，光纖尖端將上下、左右掃描以顯示圖案，從而形成小型化的顯示器。該顯示器具有高分辨率、高亮度、高動態(tài)范圍和寬色域的特點。

在VR或AR平臺中，單超透鏡將直接位于眼睛前方，而顯示器則位于鏡片的焦平面內(nèi)。顯示器掃描的圖案在超透鏡的幫助下聚焦到形成虛擬圖像的視網(wǎng)膜上。

Li說道：“我們已經(jīng)展示了Meta-Optics平臺如何幫助解決當前VR技術(shù)的瓶頸，這些技術(shù)有可能會應(yīng)用到我們的日常生活中。”

據(jù)悉，接下來該團隊的目標是進一步擴大鏡片的尺寸，使其與當前的制造技術(shù)兼容，以低成本進行批量生產(chǎn)。