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    哈佛大学的研究人员开发了毫米级纳米结构平面超透镜,试图解决XR光学瓶颈

    发布日期:2021-01-29 12:59 物理论文

    在过去的几十年里,各种消费电子技术取得了前所未有的飞跃,并朝着更小、更高效的方向发展。但是光学镜头技术基本到位,设计和基本物理原理都没有太大变化。

    这个问题已经形成了下一代光学系统(比如用于VR/AR的可穿戴显示系统)发展的瓶颈。目前市场上需要更紧凑、重量更轻、性价比更高的光学元件。

    据陶介绍,美国哈佛大学(Harvard University)约翰保尔森工程与应用科学学院(John A . Paulson School of Engineering and application Sciences()由应用物理学教授费德里克卡帕索(Federico Capasso)、电气工程高级研究员罗伯特华莱士(Robert L. Wallace)和温顿海斯(Vinton Hayes)组成的研究团队,一直在开发新一代透镜,预计将使用纳米结构的平板透镜来聚焦光线,而不是笨重的曲面透镜,从而打破光学透镜的瓶颈。

    2018年,卡帕索的团队开发了一种无色差和像差的金属,可以在整个可见光谱范围内工作。但是这些镜头直径只有几十微米,不能用于VR和AR系统。

    目前,该团队已经开发了一种直径为2 mm的无色超透镜,可以聚焦RGB颜色而不失真。基于这种超级透镜,开发了一种可应用于虚拟现实和增强现实的小型显示器。

    卡帕索说:“这种先进的镜头将为新的VR显示平台开辟道路,克服阻碍VR发展的光学设备瓶颈。”

    该论文的第一作者、博士后李说:“我们利用新的物理设计原理,研制出一种平面透镜,取代了现在光学设备中笨重的曲面透镜。这是迄今为止最大的RGB消色差金属化材料,它也证明了超级透镜可以放大到厘米大小,大规模生产并应用于商业平台。”

    超级透镜使用二氧化钛纳米鳍阵列来控制红、绿、蓝光的焦距,以消除色差。为了将镜头集成到虚拟现实系统中,该团队使用一种叫做光纤扫描的方法开发了一种近眼显示器。

    显示器的灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像技术。通过向缠绕在光纤周围的压电管施加电压,光纤可以全方位扫描显示元件,形成高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域的小型化显示器。

    在VR/AR设备中,超级透镜会直接放在眼前,显示器会位于超级透镜的焦平面上。显示器显示的图案聚焦在视网膜上,视网膜在超级透镜的帮助下形成虚像。对于人眼来说,AR模式下显示的图像会成为外部图像的一部分,与真实的眼睛有一定的距离。

    “我们已经展示了元光学平台如何帮助解决现有虚拟现实技术的瓶颈及其在日常生活中的应用潜力,”李说。

    接下来,研究小组的目标是进一步增加超级镜头的尺寸。使其适合大规模生产,降低超级镜片的生产成本。


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