華盛頓大學與麻省理工學院的研究團隊成功開發(fā)了一種基于超構(gòu)光學的目鏡系統(tǒng)。包含兩層超構(gòu)透鏡，其中一層作為光圈和校正板，另一層作為聚焦透鏡。該研究發(fā)表在《光：科學與應(yīng)用》期刊上。

隨著人工智能的進步和數(shù)字內(nèi)容的廣泛普及，增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）近眼顯示器的需求不斷增加。除了在國家安全和國防領(lǐng)域的應(yīng)用（如夜視和增強視覺技術(shù)）外，其在社交互動、教育和游戲中的使用也引起了廣泛的商業(yè)興趣。

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超光學元件由納米級柱或超原子陣列組成。

近眼顯示器需要高光學性能以實現(xiàn)有效的用戶交互，因為人眼是一個高度優(yōu)化的光學系統(tǒng)。此外，這些顯示器必須輕便緊湊，以確保用戶的舒適性和安全性。緊湊的外形和高光學性能的需求帶來了工程上的挑戰(zhàn)。

寬視場對于近眼顯示器的沉浸式體驗至關(guān)重要。人類的視野范圍約為120°，這超出了大多數(shù)廣角鏡頭的捕捉能力。傳統(tǒng)的大視場角像差校正方法是通過堆疊多個折射透鏡來增加系統(tǒng)尺寸和重量。這對于頭戴式顯示器尤其具有限制性，因為過重的設(shè)備會導(dǎo)致不適和疲勞，而足夠的出瞳距離對于可用性至關(guān)重要。

超構(gòu)光學通過改進和小型化成像組件，展示了在緊湊型近眼顯示系統(tǒng)中的潛力。在超構(gòu)光學中，亞波長柱狀結(jié)構(gòu)的準周期性陣列排列在表面上，以實現(xiàn)局部相移，從而實現(xiàn)全局光學功能，如光束轉(zhuǎn)向或透鏡化。納米級光刻技術(shù)的進步使得可見光和近紅外波長的超構(gòu)透鏡制造成為可能。然而，開發(fā)具有大孔徑（約1英寸）和寬視場（大于60°）的超構(gòu)透鏡目鏡仍然具有挑戰(zhàn)性。

制造用于可見光波長的大孔徑超構(gòu)透鏡需要在大表面積上進行高分辨率（亞100納米）光刻，這是一個復(fù)雜的過程。此外，由于隨著孔徑尺寸和入射角的增加，像差也會增加，因此同時實現(xiàn)大孔徑和寬視場在根本上具有難度，需要精心設(shè)計包含多個光學元件的光學系統(tǒng)。

該研究由麻省理工學院的顧天博士和華盛頓大學的Arka Majumdar教授領(lǐng)導(dǎo)。超構(gòu)透鏡設(shè)計考慮了實際限制，包括2.1厘米的孔徑、5.4毫米的出瞳尺寸和15毫米的出瞳距離。雙合透鏡系統(tǒng)由兩層超構(gòu)透鏡組成，用于同時實現(xiàn)大孔徑和寬視場。第一層是光圈和校正板，第二層是聚焦透鏡。

當兩層超構(gòu)透鏡組合在一起時，展示了60°全視場的高質(zhì)量成像。研究人員首先用1厘米孔徑的原型驗證了光學性能，然后擴展到2.1厘米孔徑的目鏡。理論模型和實驗數(shù)據(jù)在兩種光學配置中表現(xiàn)出高度一致性。此外，在設(shè)計波長下，超構(gòu)透鏡系統(tǒng)在減少總軌道長度和改善寬視場圖像質(zhì)量方面優(yōu)于類似的商用折射透鏡目鏡。

該研究解決了在可見光波長下大面積超構(gòu)透鏡的制造挑戰(zhàn)以及大孔徑光學中的光學畸變和像差校正問題。在可見光超構(gòu)透鏡中實現(xiàn)亞波長分辨率需要100納米或更低分辨率的光刻技術(shù)。雖然電子束光刻提供了最高分辨率的納米制造方法之一，但其成本和可擴展性使其不適合商業(yè)應(yīng)用。

為了解決這一限制，研究人員開發(fā)了一種與深紫外（DUV）步進光刻兼容的2厘米目鏡雙合透鏡，這是一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。這代表了向商業(yè)化可行的大孔徑超構(gòu)透鏡制造邁出的一步。

將超構(gòu)透鏡集成到全尺寸近眼顯示系統(tǒng)（包括AR/VR和夜視）中是這項工作的潛在應(yīng)用。然而，超構(gòu)透鏡雙合透鏡設(shè)計用于633納米單波長照明。雖然可立即應(yīng)用于單色應(yīng)用（如夜視），但全彩應(yīng)用還需要進一步開發(fā)。

這項研究推進了納米制造和超構(gòu)光學設(shè)計技術(shù)。鑒于AR/VR需求的不斷增加以及對緊湊型夜視系統(tǒng)的持續(xù)需求，超構(gòu)光學將在這些技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著技術(shù)的進一步成熟，超構(gòu)光學有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，推動光學系統(tǒng)的微型化和高性能化發(fā)展。

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