帖子
勛章
關注
任務
一種基于超構光學的目鏡系統 華盛頓大學與麻省理工學院的研究團隊成功開發(fā)了一種基于超構光學的目鏡系統。包含兩層超構透鏡，其中一層作為光圈和校正板，另一層作為聚焦透鏡。該研究發(fā)表在《光：科學與應用》期刊上。 隨著人工智能的進步和數字內容的廣泛普及，增強現實和虛擬現實（AR/VR）近眼顯示器的需求不斷增加。除了在國家安全和國防領域的應用（如夜視和增強視覺技術）外，其在社交互動、教育和游戲中的使用也引起了廣泛的商業(yè)興趣。  超光學元件由納米級柱或超原子陣列組成。 近眼顯示器需要高光學性能以實現有效的用戶交互，因為人眼是一個高度優(yōu)化的光學系統。此外，這些顯示器必須輕便緊湊，以確保用戶的舒適性和安全性。緊湊的外形和高光學性能的需求帶來了工程上的挑戰(zhàn)。 寬視場對于近眼顯示器的沉浸式體驗至關重要。人類的視野范圍約為120°，這超出了大多數廣角鏡頭的捕捉能力。傳統的大視場角像差校正方法是通過堆疊多個折射透鏡來增加系統尺寸和重量。這對于頭戴式顯示器尤其具有限制性，因為過重的設備會導致不適和疲勞，而足夠的出瞳距離對于可用性至關重要。 超構光學通過改進和小型化成像組件，展示了在緊湊型近眼顯示系統中的潛力。在超構光學中，亞波長柱狀結構的準周期性陣列排列在表面上，以實現局部相移，從而實現全局光學功能，如光束轉向或透鏡化。納米級光刻技術的進步使得可見光和近紅外波長的超構透鏡制造成為可能。然而，開發(fā)具有大孔徑（約1英寸）和寬視場（大于60°）的超構透鏡目鏡仍然具有挑戰(zhàn)性。 制造用于可見光波長的大孔徑超構透鏡需要在大表面積上進行高分辨率（亞100納米）光刻，這是一個復雜的過程。此外，由于隨著孔徑尺寸和入射角的增加，像差也會增加，因此同時實現大孔徑和寬視場在根本上具有難度，需要精心設計包含多個光學元件的光學系統。 該研究由麻省理工學院的顧天博士和華盛頓大學的Arka Majumdar教授領導。超構透鏡設計考慮了實際限制，包括2.1厘米的孔徑、5.4毫米的出瞳尺寸和15毫米的出瞳距離。雙合透鏡系統由兩層超構透鏡組成，用于同時實現大孔徑和寬視場。第一層是光圈和校正板，第二層是聚焦透鏡。 當兩層超構透鏡組合在一起時，展示了60°全視場的高質量成像。研究人員首先用1厘米孔徑的原型驗證了光學性能，然后擴展到2.1厘米孔徑的目鏡。理論模型和實驗數據在兩種光學配置中表現出高度一致性。此外，在設計波長下，超構透鏡系統在減少總軌道長度和改善寬視場圖像質量方面優(yōu)于類似的商用折射透鏡目鏡。 該研究解決了在可見光波長下大面積超構透鏡的制造挑戰(zhàn)以及大孔徑光學中的光學畸變和像差校正問題。在可見光超構透鏡中實現亞波長分辨率需要100納米或更低分辨率的光刻技術。雖然電子束光刻提供了最高分辨率的納米制造方法之一，但其成本和可擴展性使其不適合商業(yè)應用。 為了解決這一限制，研究人員開發(fā)了一種與深紫外（DUV）步進光刻兼容的2厘米目鏡雙合透鏡，這是一種適合大規(guī)模生產的技術。這代表了向商業(yè)化可行的大孔徑超構透鏡制造邁出的一步。 將超構透鏡集成到全尺寸近眼顯示系統（包括AR/VR和夜視）中是這項工作的潛在應用。然而，超構透鏡雙合透鏡設計用于633納米單波長照明。雖然可立即應用于單色應用（如夜視），但全彩應用還需要進一步開發(fā)。 這項研究推進了納米制造和超構光學設計技術。鑒于AR/VR需求的不斷增加以及對緊湊型夜視系統的持續(xù)需求，超構光學將在這些技術的發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。隨著技術的進一步成熟，超構光學有望在更多領域實現廣泛應用，推動光學系統的微型化和高性能化發(fā)展。 相關鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01674-0 |
