基于超构表面的AR显示技术介绍

近日，华中科技大学张诚教授课题组以题目Metasurface-enabled Augmented Reality Display: A Review在期刊Advanced Photonics（影响因子17.3）上发表特约综述，文章回顾了基于超构表面的AR显示技术，详细分析了三种典型超构表面器件，即超构透镜（metalenses）、超构表面耦合器（metacouplers）和超构表面全息器件（metaholograms）在AR显示领域的研究进展，以及它们在不同形式的AR显示中发挥的作用。研究人员阐明了以上三种器件的物理原理、设计方案和相关AR显示系统的特点和优势。张诚教授课题组博士后刘泽阳和王丹燕为本文的共同第一作者，博士研究生高豪、李墨馨、周慧贤为文章做出重要贡献，华中科技大学为唯一研究单位。

增强现实（augmented reality, AR）是一种结合了现实世界景象和计算机生成内容的交互体验。这些内容可以跨越多种感官模式，包括视觉、听觉、触觉等。以这种方式，AR技术改变了人们对真实环境的持续感知，这种感知与物理世界无缝地交织在一起，从而被视为对真实环境的沉浸式体验。理想的AR显示系统需要同时兼顾重量轻、便携性高、成像质量好等特点。然而，当前的AR显示系统基于传统折射、反射和衍射光学元件的组合。受物理机制限制，这些传统光学元件只能提供有限的光场调制能力，同时还存在体积庞大、色散严重等问题，因此无法同时为AR显示系统提供紧凑的尺寸和良好的显示性能，包括宽视场角（field of view，FOV）、高色彩精度和大眼盒范围（eye box）。近年来，一种平面光学元件——超构表面得到了广泛研究和快速发展。通过定制化的超构原子（meta-atom）操控入射光的振幅、相位以及偏振态，超构表面能够实现传统折射、反射或衍射光学元件的功能。超构表面技术表现出独特的优势，如紧凑的结构尺寸和灵活的光场调控能力，因此被广泛认为能够克服当前AR显示系统面临的一些限制。

根据核心光学元件的不同形式，目前主流的AR显示方案可以大致分为四类：传统光学方案、自由曲面光学方案、全息光学方案和光波导方案。AR显示系统通常由以下几个性能因素来描述，包括视场（field of view，FOV）、眼盒范围（eye box）、角度分辨率（angular resolution）和焦点提示（focal cue）。超构表面器件，包括主流的超构透镜、超构表面耦合器和超构表面全息器件等，能够有效替代AR显示系统中的传统光学元件，提高系统的紧凑性和显示性能。图1展示了这三种类型的超构表面器件在波导AR显示系统中的潜在应用。

基于多种超构表面器件的波导AR显示系统概念示意图。系统中使用了三种类型的超构表面器件，包括超构透镜、超构表面耦合器和超构表面全息器件。

超构透镜通过超构原子阵列引入空间变化的相位突变实现光束聚焦。相较于传统折射透镜，超构透镜能够提供更高的数值孔径、更紧凑的结构尺寸以及更丰富的成像功能，因此在对系统尺寸和成像质量都有较高要求的AR显示系统中展现出广阔应用前景。超构透镜可以用于对微显示器中的图像进行准直和投影，构建结构紧凑的AR显示系统。对于目前基于光波导的AR显示方案，其面临两个主要限制，即较小的视场角和较大的色差。近年来得到广泛探索的超构表面耦合器，比传统耦合器具有更高的设计自由度和更强大的光场调控能力，是突破以上限制的一种有效途径。偏振敏感型超构表面耦合器，能够选择性地将某一特定偏振态的光耦合输入波导板或从波导板耦合输出，因此可以通过偏振复用的方式扩大波导显示的视场角或实现视差立体AR显示。此外，超构表面全息器件通过亚波长的结构单元编码全息图像信息，可以对入射光施加更灵活多样的光场调控。相较传统全息器件，超构表面全息器件能够以更小的结构尺寸、更高的工作效率生成具有更高空间分辨率和更宽发散角的二维及三维全息图像。超构表面全息器件可以作为AR显示系统的微型图像源，为系统提供高质量的单色或彩色全息图像。

除了上述介绍的研究工作之外，超构表面还能够丰富AR眼镜的功能性，如实现眼球追踪和防止镜片成雾（anti-fogging）；利用超构表面替代传统光学组件，如波片、偏振片、分束器和滤色片能够进一步减小系统尺寸；超构表面在提高微显示器分辨率方面也展现出优势，如集成了超构表面的有机发光二极管（OLED）显示器，其空间分辨率可以超过每英寸10,000像素（PPI）等等。因此超构表面有望成为未来AR显示和相关应用的核心技术之一，在AR显示器件中发挥多种作用。然而，为了最终实现超构表面AR显示器件的商业化和广泛应用，还需要克服一系列挑战，如宽带消色差超构透镜受限于较低的数值孔径（NA）和较小的器件尺寸，消色差超构表面耦合器尚缺少易于加工的器件设计，超构表面全息器件无法实时投影任意的全息图像等。与此同时，研究人员也提出了一系列解决方案来应对上述问题，作者在文章的最后也对此进行了总结和展望。

华中科技大学张诚教授课题组从事光学超构表面、超构材料、新型光电材料的研究（http://light.oei.hust.edu.cn）。近年来在Light: Science & Applications、Advanced Photonics、Nature Communications、Nano Letters、Advanced Optical Materials等期刊发表多篇论文，并获得多个研究项目资助。

编辑：黄飞