一种基于超构光学的目镜系统

华盛顿大学与麻省理工学院的研究团队成功开发了一种基于超构光学的目镜系统。包含两层超构透镜，其中一层作为光圈和校正板，另一层作为聚焦透镜。该研究发表在《光：科学与应用》期刊上。

随着人工智能的进步和数字内容的广泛普及，增强现实和虚拟现实（AR/VR）近眼显示器的需求不断增加。除了在国家安全和国防领域的应用（如夜视和增强视觉技术）外，其在社交互动、教育和游戏中的使用也引起了广泛的商业兴趣。

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超光学元件由纳米级柱或超原子阵列组成。

近眼显示器需要高光学性能以实现有效的用户交互，因为人眼是一个高度优化的光学系统。此外，这些显示器必须轻便紧凑，以确保用户的舒适性和安全性。紧凑的外形和高光学性能的需求带来了工程上的挑战。

宽视场对于近眼显示器的沉浸式体验至关重要。人类的视野范围约为120°，这超出了大多数广角镜头的捕捉能力。传统的大视场角像差校正方法是通过堆叠多个折射透镜来增加系统尺寸和重量。这对于头戴式显示器尤其具有限制性，因为过重的设备会导致不适和疲劳，而足够的出瞳距离对于可用性至关重要。

超构光学通过改进和小型化成像组件，展示了在紧凑型近眼显示系统中的潜力。在超构光学中，亚波长柱状结构的准周期性阵列排列在表面上，以实现局部相移，从而实现全局光学功能，如光束转向或透镜化。纳米级光刻技术的进步使得可见光和近红外波长的超构透镜制造成为可能。然而，开发具有大孔径（约1英寸）和宽视场（大于60°）的超构透镜目镜仍然具有挑战性。

制造用于可见光波长的大孔径超构透镜需要在大表面积上进行高分辨率（亚100纳米）光刻，这是一个复杂的过程。此外，由于随着孔径尺寸和入射角的增加，像差也会增加，因此同时实现大孔径和宽视场在根本上具有难度，需要精心设计包含多个光学元件的光学系统。

该研究由麻省理工学院的顾天博士和华盛顿大学的Arka Majumdar教授领导。超构透镜设计考虑了实际限制，包括2.1厘米的孔径、5.4毫米的出瞳尺寸和15毫米的出瞳距离。双合透镜系统由两层超构透镜组成，用于同时实现大孔径和宽视场。第一层是光圈和校正板，第二层是聚焦透镜。

当两层超构透镜组合在一起时，展示了60°全视场的高质量成像。研究人员首先用1厘米孔径的原型验证了光学性能，然后扩展到2.1厘米孔径的目镜。理论模型和实验数据在两种光学配置中表现出高度一致性。此外，在设计波长下，超构透镜系统在减少总轨道长度和改善宽视场图像质量方面优于类似的商用折射透镜目镜。

该研究解决了在可见光波长下大面积超构透镜的制造挑战以及大孔径光学中的光学畸变和像差校正问题。在可见光超构透镜中实现亚波长分辨率需要100纳米或更低分辨率的光刻技术。虽然电子束光刻提供了最高分辨率的纳米制造方法之一，但其成本和可扩展性使其不适合商业应用。

为了解决这一限制，研究人员开发了一种与深紫外（DUV）步进光刻兼容的2厘米目镜双合透镜，这是一种适合大规模生产的技术。这代表了向商业化可行的大孔径超构透镜制造迈出的一步。

将超构透镜集成到全尺寸近眼显示系统（包括AR/VR和夜视）中是这项工作的潜在应用。然而，超构透镜双合透镜设计用于633纳米单波长照明。虽然可立即应用于单色应用（如夜视），但全彩应用还需要进一步开发。

这项研究推进了纳米制造和超构光学设计技术。鉴于AR/VR需求的不断增加以及对紧凑型夜视系统的持续需求，超构光学将在这些技术的发展中发挥关键作用。随着技术的进一步成熟，超构光学有望在更多领域实现广泛应用，推动光学系统的微型化和高性能化发展。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01674-0