哈佛研究人员开发毫米级纳米结构平面超透镜，尝试解决XR光学瓶颈

在过去的几十年中，各类消费电子技术取得了前所未有的飞跃，一直在向着越来越小，越来越高效发展，但光学镜片技术却基本在原地踏步，设计和基本物理原理没有太大的变化。

这一问题在下一代光学系统（例如用于VR/AR的可穿戴显示系统）的开发中形成了瓶颈，目前市场上需要的是更紧凑、轻便且具有成本效益的光学组件。

根据Phys.org报道，在哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS），一支由应用物理学教授Federico Capasso、Robert L. Wallace和电气工程高级研究员Vinton Hayes组成的研究团队一直在开发新一代的镜头，并有望通过使用纳米结构的平面镜片来聚焦光线，代替笨重的曲面镜片，从而打破光学镜片的瓶颈。

在2018年，Capasso的团队开发了一种无色差、无像差的超透镜（metalenses），可在整个可见光谱的范围内工作。但这些镜头的直径只有几十微米，无法在VR和AR系统中实际使用。

目前，该团队已经开发出了一种直径2毫米的无色超透镜，可以无畸变聚焦RGB三种颜色，基于该超透镜研发出了一种可应用于VR和AR的小型显示器。

Capasso表示：“这种先进的镜片将为新型VR显示平台开辟了道路，克服阻碍VR发展的光学设备瓶颈。”

SEAS博士后研究员及论文第一作者Zhaoyi Li说：“使用新的物理学设计原理，我们开发了一种平面透镜来替代当今光学设备中笨重的曲面透镜。这是迄今为止最大的RGB无色差金属化材料，同时也证明了超透镜可以按比例放大至厘米大小，批量生产并应用于商业平台中。”

该超透镜使用了二氧化钛纳米鳍片阵列来控制红绿蓝三色光的焦距，以消除色差。为了将镜片整合到VR系统中，该团队使用了一种被称为光纤扫描的方法开发了一种近眼显示器。

该显示器的灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像技术，通过在光纤周围包裹的压电管施加电压，光纤可以全方向扫描显示组件，形成一个小型化的显示器，兼具高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域等特点。

在VR/AR设备里，超透镜将直接被放置于眼睛的前方，显示器则位于超透镜的焦平面内。显示器显示的图案在超透镜的帮助下聚焦到形成虚像的视网膜上。对于人眼来说，AR方式下显示的图像将成为外界图像的一部分，与真正的眼睛有一定的距离。

“我们已经展示了超光学（meta-optics）平台如何帮助解决现有VR技术的瓶颈，以及应用于日常生活中的潜力”，Li表示。

接下来，该研究团队的目标是进一步增大超透镜的尺寸。使其能够适合大规模生产，并降低超透镜的生产成本。