清华大学：用于增强现实显示的三维变焦超透镜设备

近日，清华大学深圳国际研究生院助理教授耿子涵团队联合香港城市大学、哈尔滨工业大学(深圳)等单位，成功研发出一种新型三维可变焦超构元件，可实现增强现实显示中焦点位置的精确动态调控。该成果为解决增强现实显示中的调节辐辏冲突和有限眼动范围等关键技术难题提供了新的解决方案。

增强现实(AR)显示技术因其能够将真实与虚拟世界无缝融合而备受关注。然而，目前AR显示技术仍面临诸多挑战，如调节辐辏冲突导致的视觉疲劳，以及有限的眼动范围影响用户体验等问题。传统解决方案往往依赖机械运动部件或多层液晶全息元件，导致系统体积庞大、结构复杂。开发轻巧、集成化且可实现三维空间动态调焦的光学元件对推动下一代AR显示技术发展至关重要。

基于此，研究团队创新性地提出了一种基于莫尔理论的三维可变焦超构元件。该元件由三个级联的超表面组成，通过精心设计的相位轮廓实现了焦点位置的动态调控。实验结果表明，该超构元件可在3.7至33.2毫米范围内连续调节焦距，同时实现横向焦点的灵活调整，动态眼动范围达到4.2至5.8毫米。

图2.超构元件的相位设计及器件表征

图3.三维可变焦实验结果及性能表征

在实际应用验证中，研究团队成功将该超构元件集成到AR显示系统中。通过调节超表面的旋转角度，系统可以将虚拟图像精确聚焦在不同深度的真实物体平面上，有效解决了传统AR显示中的调节辐辏冲突问题。

同时，该系统还能实现虚拟图像在横向平面的自由移动，大大提升了显示系统的眼动范围。与传统的机械控制或液晶全息元件相比，该方案不仅结构更加轻薄简洁，而且可以在LED等普通光源照明条件下正常工作，更适合实际应用场景。这些特性使得该超构元件在下一代AR显示技术中具有广阔的应用前景。

图4.超构元件在增强现实显示系统中的应用展示

相关研究成果以“用于增强现实显示的三维变焦超透镜设备”(Three-Dimensional Varifocal Meta-device for Augmented Reality Display)为题，于3月10日发表于《光子X》(PhotoniX)，并被遴选为当期封面。

清华大学深圳国际研究生院2023级硕士生宋昱舟与南加州大学电气工程系博士生袁家琪为论文共同第一作者，耿子涵、哈尔滨工业大学(深圳)教授肖淑敏、香港城市大学助理教授陈沐谷为论文共同通讯作者。

研究得到国家重点研发计划、鹏城实验室重大专项、深圳市基础研究重点项目、国家自然科学基金、广东省基础研究基金、深圳市科技创新委员会、中国香港特别行政区研究资助局及香港城市大学科研基金等的支持。

审核编辑 黄宇