基于纳米压印超构透镜阵列的增强现实方案

研究人员基于超薄纳米压印超构透镜阵列开发出一种透视增强现实（AR）原型，开创了一种全彩、视频速率和低成本的3D近眼显示方案。

据麦姆斯咨询介绍，集成成像（Integral imaging，II）显示是一种光场显示形式，利用透镜/针孔阵列来捕获和再现光场，是诺贝尔奖获得者Gabriel Lippmann在一个多世纪前的发明。这项技术通过大量小透镜阵列来重建整个图像，类似于苍蝇眼睛的机制。生成的图像包括了原始三维（3D）物体的全部光场信息，类似于全息术。与全息术不同的是，这项技术并不局限于相干光源。集成成像显示本身具有全视差和准连续视点等属性，呈现出真正的3D显示，避免了视觉疲劳，而这正是双目视差3D显示中由于辐辏调节冲突而产生的常见问题。

在21世纪之前，由于技术限制，集成成像显示的发展缓慢。近年来，由于算法的增强、制造能力的提高和高速数码相机的出现，集成成像显示技术迅速发展，尤其是在过去十年。平面超构光学是下一代3D显示技术的一个有前途的候选者，超薄超构透镜正在成为传统大尺寸透镜的理想替代品。超构透镜显示出前所未有的在亚波长尺度操纵光的能力，包括对电介质或等离子体超构原子发射或反射光的振幅、相位、偏振和色散的精确控制。最近，超构透镜在集成成像显示方面显示出巨大的潜力，解决了传统微透镜阵列遇到的严重色差问题。然而，制造大规模的超构透镜阵列并将其用于集成成像显示的商业微型显示器仍然是一项具有挑战性的任务。此外，用于编码3D对象和创建元素图像阵列的计算算法仍然太慢，无法实现用于实际视频速率集成成像显示的3D对象的实时渲染。

据麦姆斯咨询报道，在最近发表在eLight期刊上的一篇题为“Integral Imaging Near-eye 3D Display Using a Nanoimprint Metalens Array”的论文中，中山大学董建文教授和秦宗副教授领导的研究团队介绍了大规模纳米压印超构透镜阵列在3D近眼集成成像显示方面的应用。所开发的系统结合了大规模超构透镜阵列、商业微型显示器和实时渲染算法，能够产生具有运动视差和焦点提示的高质量3D图像。全彩色、实时、透视的超构原型突出了所开发的器件在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）中的应用。研究人员采用纳米压印制造技术，在折射率为1.9的粘附材料上制造了大规模（1.84 mm × 1.84 mm）超构透镜阵列。4×4的高质量超构透镜阵列通过3D打印支架与商业微型显示器集成在一起。为了实现视频速率集成成像显示，研究人员还引入了一种新的渲染方法，利用了集成成像显示中体素和像素之间的静态映射。这种渲染方法可以绕过传统的几何投影，通过查找表实现实时性能。为了验证超构系统的真实3D显示能力，研究人员还展示了一个能够将3D图像与周围物体融合的透视原型，展示了增强实现应用。

基于超构透镜阵列的近眼集成成像显示示意图

基于纳米压印超构透镜阵列的增强现实概念图

尽管用于高通量超构表面制造的纳米压印光刻技术和实时渲染算法可以推动用于未来虚拟现实和增强现实应用的集成成像显示的发展，但该领域仍存在一些挑战。例如，高分辨率图像采集仍然是一个巨大的障碍，需要超小像素尺寸到亚微米尺度的微型显示传感器。然而，制造这种小型传感器带来了相当大的挑战。在这种情况下，具有高刷新率监视器的时间复用光场可能提供一种可行的解决方案。其次，现有的纳米压印粘合剂的折射率仍然很低，需要高纵横比的纳米柱来构建超构透镜，从而产生遮蔽效应，降低高空间频率的衍射效率。第三，真正交互式3D显示器的开发需要使用动态超构表面以实现快速可调谐性和低功耗。尽管已经提出各种机制（例如相变和电光效应）来实现动态超构表面，但这一发展仍处于起步阶段。值得注意的是，超构表面与多个光自由度（例如偏振、波长、轨道角动量和时空光束）相互作用的独特能力，为进一步增强基于超构表面的显示的动态功能和图像容量打开了大门。除了硬件部分的努力，机器学习、神经网络和人工智能（AI）的快速发展可以改善未来3D显示技术的软件部分。