董建文教授团队在光学超表面的AR/XR 新型显示研究中取得重要进展
光学超表面的AR/XR 新型显示
中山大学物理学院、光电材料与技术全国重点实验室董建文教授团队提出了基于超表面的定制化透镜阵列并用于AR/XR新型显示应用。该超透镜阵列融合了透镜与空间异构的棱镜相位设计，再结合纳米压印技术，突破了传统微透镜阵列像差对视场角的限制，为下一代沉浸式AR/XR显示设备提供了新的技术路径。相关研究成果以“Expanded field of view light-field extended-reality displays with metalens array”为题，发表于国际著名期刊《光：科学与应用》(Light: Science & Applications)。
扩展现实（XR）的终极目标是“沉浸感”，这要求XR显示在有限的器件体积内同时具备满足人眼需要的超广视角和无辐辏调节冲突的3D显示效果。基于双目视差的显示方式容易引起辐辏调节冲突（VAC），影响观看舒适性。传统微透镜阵列的光场显示方式具有零辐辏调节冲突、全视差、轻量化等优势，但是大视场离轴像差限制了高质量成像。此外，与厘米级微显示屏的匹配，也对光场调控器件提出了大面积微纳制备的挑战。
中山大学团队跳出了传统“同构”微透镜阵列和超透镜阵列的思维局限（如eLight 4, 3 (2024)），提出了异构超透镜阵列（Heterogeneous Metalens Array）的物理光学方案及其厘米级纳米压印技术。该异构阵列将透镜与空间变化的棱镜功能集成于同一平面器件中，实现了全视场内达衍射极限的光学性能。团队实现了高深宽比的微纳结构制备，在笔记本电脑上实现140帧/秒的视频级渲染速度。团队搭建了透视式光场显示原型机，人眼视场角达到50°，达到匹配微显示屏的空间带宽积上限，为传统方案的4倍。论文附带视频还展示了深度达60厘米的三维重建效果，证实了人眼自然观看效果。上述研究结果为发展沉浸式AR/XR近眼显示、高精度纳米压印、精密光学技术与应用，提供了新方法与新途径。
图1 传统同构微透镜阵列方案与异构超透镜阵列方案的视场对比。上图为传统方案的仿真结果（13°），下图为异构阵列原型机的实验结果（50°）。
中山大学为该成果的唯一署名单位，物理学院毕业学生卢文龙博士为论文第一作者（该生毕业后入职雷鸟创新技术公司，继续从事新型显示研究）。物理学院董建文教授和电子与信息工程学院秦宗副教授为共同通讯作者。
该工作得到了国家重点研发计划、国家基金委重点项目、广东省卓越青年团队等项目资助，以及物理学院、光电国重室等单位的大力支持。
