尽管在过去的几十年中，头显设备的技术取得了不小的进步，但光学镜片的发展仍然停滞不前。多年来，电子设备的体型变得越来越小，效率也越来越高，但与之不同的是，如今光学透镜的设计和基本物理原理在过去的3000年中都没有发生太大变化。

这一挑战为下一代光学系统（例如用于虚拟现实的可穿戴显示设备）的开发带来了瓶颈，这些系统需要紧凑、轻便且具有成本效益的组件。

在哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS），由Federico Capasso、应用物理学教授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光学镜片，并有望通过使用简单、平坦的纳米结构表面来聚焦光线，从而代替笨重的曲面镜片。

图片来源：Zhaoyi Li/哈佛大学

在2018年，Capasso的团队开发了无色差且无像差的超透镜（metalenses），可在整个可见光谱范围内工作。但是这些镜片的直径只有几十微米，太小以至于无法在VR和AR系统中实际使用。

现在，研究人员已经开发出一种2毫米的无色超透镜，可以无畸变地聚焦RGB（红色，蓝色，绿色）颜色，并开发了一种用于VR和AR的小型显示器。

图片来源：Zhaoyi Li/哈佛大学

该研究论文已发表在《Science Advances》上。

该论文的资深作者Capasso说道：“这种先进的镜片为通往新型虚拟现实平台开辟了道路，并克服了阻碍新型光学设备发展的瓶颈。”

SEAS博士后研究员，该论文的第一作者Zhaoyi Li表示：“通过使用新的物理学和设计原理，我们开发了一种平面透镜来替代当今光学设备中的笨重透镜。这是迄今为止最大的RGB消色差超透镜，并且证明了这些透镜可以按比例放大至厘米大小，可批量生产以集成在商业平台中。”

像以前的超透镜一样，这款新的超透镜使用二氧化钛纳米鳍片阵列来平均聚焦光的波长并消除色差。通过设计这些纳米阵列的形状和图案，研究人员可以控制红色、绿色和蓝色光的焦距。为了将镜片整合到VR系统中，该团队使用一种名为纤维扫描（fiber scanning）的方法开发了一种近眼显示器。

图片来源：哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院

该显示器的灵感来自基于纤维扫描的内窥镜生物成像技术，它采用了通过压电管的光纤。当在管上施加电压时，光纤尖端将上下、左右扫描以显示图案，从而形成小型化的显示器。该显示器具有高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域的特点。

在VR或AR平台中，单超透镜将直接位于眼睛前方，而显示器则位于镜片的焦平面内。显示器扫描的图案在超透镜的帮助下聚焦到形成虚拟图像的视网膜上。

Li说道：“我们已经展示了Meta-Optics平台如何帮助解决当前VR技术的瓶颈，这些技术有可能会应用到我们的日常生活中。”

接下来，该团队的目标是进一步扩大镜片的尺寸，使其与当前的制造技术兼容，以低成本进行批量生产。

来源：phys.org