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盡管在過(guò)去的幾十年中，頭顯設(shè)備的技術(shù)取得了不小的進(jìn)步，但光學(xué)鏡片的發(fā)展仍然停滯不前。多年來(lái)，電子設(shè)備的體型變得越來(lái)越小，效率也越來(lái)越高，但與之不同的是，如今光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)和基本物理原理在過(guò)去的3000年中都沒(méi)有發(fā)生太大變化。
這一挑戰(zhàn)為下一代光學(xué)系統(tǒng)(例如用于虛擬現(xiàn)實(shí)的可穿戴顯示設(shè)備)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了瓶頸，這些系統(tǒng)需要緊湊、輕便且具有成本效益的組件。
在哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)，由Federico Capasso、應(yīng)用物理學(xué)教授Robert L.Wallace和電氣工程高級(jí)研究員Vinton Hayes組成的研究團(tuán)隊(duì)一直在開(kāi)發(fā)新一代光學(xué)鏡片，并有望通過(guò)使用簡(jiǎn)單、平坦的納米結(jié)構(gòu)表面來(lái)聚焦光線，從而代替笨重的曲面鏡片。
在2018年，Capasso的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了無(wú)色差且無(wú)像差的超透鏡(metalenses)，可在整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)工作。但是這些鏡片的直徑只有幾十微米，太小以至于無(wú)法在VR和AR系統(tǒng)中實(shí)際使用。
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種2毫米的無(wú)色超透鏡，可以無(wú)畸變地聚焦RGB(紅色，藍(lán)色，綠色)顏色，并開(kāi)發(fā)了一種用于VR和AR的小型顯示器。
該研究論文已發(fā)表在《Science Advances》上。
該論文的資深作者Capasso說(shuō)道：“這種鏡片為通往新型虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開(kāi)辟了道路，并克服了阻礙新型光學(xué)設(shè)備發(fā)展的瓶頸?！?/p>
SEAS博士后研究員，該論文的第一作者Zhaoyi Li表示：“通過(guò)使用新的物理學(xué)和設(shè)計(jì)原理，我們開(kāi)發(fā)了一種平面透鏡來(lái)替代當(dāng)今光學(xué)設(shè)備中的笨重透鏡。這是迄今為止最大的RGB消色差超透鏡，并且證明了這些透鏡可以按比例放大至厘米大小，可批量生產(chǎn)以集成在商業(yè)平臺(tái)中?！?/p>
像以前的超透鏡一樣，這款新的超透鏡使用二氧化鈦納米鰭片陣列來(lái)平均聚焦光的波長(zhǎng)并消除色差。通過(guò)設(shè)計(jì)這些納米陣列的形狀和圖案，研究人員可以控制紅色、綠色和藍(lán)色光的焦距。為了將鏡片整合到VR系統(tǒng)中，該團(tuán)隊(duì)使用一種名為纖維掃描(fiber scanning)的方法開(kāi)發(fā)了一種近眼顯示器。
該顯示器的靈感來(lái)自基于纖維掃描的內(nèi)窺鏡生物成像技術(shù)，它采用了通過(guò)壓電管的光纖。當(dāng)在管上施加電壓時(shí)，光纖尖端將上下、左右掃描以顯示圖案，從而形成小型化的顯示器。該顯示器具有高分辨率、高亮度、高動(dòng)態(tài)范圍和寬色域的特點(diǎn)。
在VR或AR平臺(tái)中，單超透鏡將直接位于眼睛前方，而顯示器則位于鏡片的焦平面內(nèi)。顯示器掃描的圖案在超透鏡的幫助下聚焦到形成虛擬圖像的視網(wǎng)膜上。
Li說(shuō)道：“我們已經(jīng)展示了Meta-Optics平臺(tái)如何幫助解決當(dāng)前VR技術(shù)的瓶頸，這些技術(shù)有可能會(huì)應(yīng)用到我們的日常生活中?！?/p>
據(jù)悉，接下來(lái)該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步擴(kuò)大鏡片的尺寸，使其與當(dāng)前的制造技術(shù)兼容，以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。
分享標(biāo)題：哈佛研究人員為VR/AR研發(fā)超透鏡：無(wú)畸變聚焦RGB顏色
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