哈佛大學(xué)研發(fā)新型消色差超透鏡，解決VR和AR光學(xué)技術(shù)瓶頸

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）Federico Capasso領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直致力于研發(fā)“超透鏡”（meta lenses）。超透鏡采用納米結(jié)構(gòu)來聚焦光線，用簡單的平面透鏡取代笨重的曲面透鏡。

2018年，Capasso的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了可工作于整個(gè)可見光譜的消色差、無畸變的超透鏡。但這些透鏡直徑只有幾十微米，尺寸太小，不能用于實(shí)際的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR & AR）系統(tǒng)。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出直徑為兩毫米的消色差超透鏡，可以聚焦RGB波長且不會(huì)發(fā)生畸變，并開發(fā)了用于VR和AR應(yīng)用的小型顯示器。這項(xiàng)研究發(fā)表于Science Advances。

“這種最先進(jìn)的透鏡開辟了一條通往新型VR平臺(tái)的道路，并克服了阻礙新型光學(xué)器件進(jìn)展的瓶頸。”Capasso說。他是應(yīng)用物理學(xué)Robert L. Wallace教授、SEAS電子工程Vinton Hayes高級(jí)研究員，也是該論文的高級(jí)作者。

“利用新的設(shè)計(jì)原理，我們開發(fā)了平面透鏡，以取代當(dāng)今光學(xué)器件中的笨重曲面透鏡?！盨EAS博士后研究員、論文第一作者Zhaoyi Li說。這是迄今為止最大的RGB消色差超透鏡，證明了其可以增加到厘米級(jí)尺寸、能批量生產(chǎn)并集成到商業(yè)平臺(tái)的概念。

與之前開發(fā)的超透鏡一樣，該透鏡使用二氧化鈦納米鰭陣列來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長的光的聚焦，并消除色差。通過納米陣列形式的工程設(shè)計(jì)，研究人員可以控制紅、綠、藍(lán)三色光的焦距。為了將透鏡整合到VR系統(tǒng)中，該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為光纖掃描的方法開發(fā)了近眼顯示。

使用全彩色近眼光纖掃描顯示器進(jìn)行AR成像效果

該顯示器的靈感來自基于光纖掃描的內(nèi)窺鏡生物成像技術(shù)，其使用穿過壓電管的光纖。

當(dāng)電壓施加到壓電管時(shí)，光纖尖端可上下左右掃描以顯示圖案，形成小型顯示器。顯示器具有高分辨率、高亮度、高動(dòng)態(tài)范圍和寬色域等特點(diǎn)。

顯示器使用穿過壓電管的光纖

在VR或AR系統(tǒng)中，超透鏡位于眼睛正前方，顯示器將位于超透鏡的焦平面內(nèi)。

顯示器掃描的圖案聚焦在視網(wǎng)膜上，在超透鏡的幫助下，形成虛擬圖像。在人眼看來，圖像在AR模式下顯示為景觀的一部分，離我們眼睛實(shí)際位置有一定距離。

“我們已經(jīng)演示了超光學(xué)平臺(tái)如何幫助解決當(dāng)前VR技術(shù)的瓶頸，并有可能用于我們的日常生活中?！盠i說。接下來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步增加透鏡尺寸，使其與目前大規(guī)模制造技術(shù)兼容，以低成本進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室提交了與該項(xiàng)目有關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)，并正在嘗試商業(yè)化。

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