近日，清華大學深圳國際研究生院助理教授耿子涵團隊聯(lián)合香港城市大學、哈爾濱工業(yè)大學(深圳)等單位，成功研發(fā)出一種新型三維可變焦超構(gòu)元件，可實現(xiàn)增強現(xiàn)實顯示中焦點位置的精確動態(tài)調(diào)控。該成果為解決增強現(xiàn)實顯示中的調(diào)節(jié)輻輳沖突和有限眼動范圍等關鍵技術難題提供了新的解決方案。

增強現(xiàn)實(AR)顯示技術因其能夠?qū)⒄鎸嵟c虛擬世界無縫融合而備受關注。然而，目前AR顯示技術仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如調(diào)節(jié)輻輳沖突導致的視覺疲勞，以及有限的眼動范圍影響用戶體驗等問題。傳統(tǒng)解決方案往往依賴機械運動部件或多層液晶全息元件，導致系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜。開發(fā)輕巧、集成化且可實現(xiàn)三維空間動態(tài)調(diào)焦的光學元件對推動下一代AR顯示技術發(fā)展至關重要。

基于此，研究團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于莫爾理論的三維可變焦超構(gòu)元件。該元件由三個級聯(lián)的超表面組成，通過精心設計的相位輪廓實現(xiàn)了焦點位置的動態(tài)調(diào)控。實驗結(jié)果表明，該超構(gòu)元件可在3.7至33.2毫米范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)焦距，同時實現(xiàn)橫向焦點的靈活調(diào)整，動態(tài)眼動范圍達到4.2至5.8毫米。

圖2.超構(gòu)元件的相位設計及器件表征

圖3.三維可變焦實驗結(jié)果及性能表征

在實際應用驗證中，研究團隊成功將該超構(gòu)元件集成到AR顯示系統(tǒng)中。通過調(diào)節(jié)超表面的旋轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)可以將虛擬圖像精確聚焦在不同深度的真實物體平面上，有效解決了傳統(tǒng)AR顯示中的調(diào)節(jié)輻輳沖突問題。

同時，該系統(tǒng)還能實現(xiàn)虛擬圖像在橫向平面的自由移動，大大提升了顯示系統(tǒng)的眼動范圍。與傳統(tǒng)的機械控制或液晶全息元件相比，該方案不僅結(jié)構(gòu)更加輕薄簡潔，而且可以在LED等普通光源照明條件下正常工作，更適合實際應用場景。這些特性使得該超構(gòu)元件在下一代AR顯示技術中具有廣闊的應用前景。

圖4.超構(gòu)元件在增強現(xiàn)實顯示系統(tǒng)中的應用展示

相關研究成果以“用于增強現(xiàn)實顯示的三維變焦超透鏡設備”(Three-Dimensional Varifocal Meta-device for Augmented Reality Display)為題，于3月10日發(fā)表于《光子X》(PhotoniX)，并被遴選為當期封面。

清華大學深圳國際研究生院2023級碩士生宋昱舟與南加州大學電氣工程系博士生袁家琪為論文共同第一作者，耿子涵、哈爾濱工業(yè)大學(深圳)教授肖淑敏、香港城市大學助理教授陳沐谷為論文共同通訊作者。

研究得到國家重點研發(fā)計劃、鵬城實驗室重大專項、深圳市基礎研究重點項目、國家自然科學基金、廣東省基礎研究基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會、中國香港特別行政區(qū)研究資助局及香港城市大學科研基金等的支持。

審核編輯 黃宇