研究员展示基于超光学双目镜实现宽视场、大光圈的近眼显示解决方案
宽视场（大于60度）超光学双目镜，入口孔径为2.1厘米
（映维网Nweon 2024年12月25日）宽视场和轻重量光学对于先进的眼镜设备至关重要。传统的折光透镜通常是堆叠在一起以纠正宽视场的像差，导致性能有限，尺寸和重量增加。特别是，同时实现宽视场和大光圈的光收集是可取的，但在紧凑得形状参数中实现具有挑战性。
在一项研究中，华盛顿大学，麻省理工学院，马萨诸塞大学，加州大学的研究人员展示了一种宽视场（大于60度）的超光学双目镜，入口孔径为2.1厘米。在设计波长为633 nm时，超光学双光镜达到了与基于折射透镜的目镜系统相当的性能。
随着人工智能的进步和数字内容的广泛可用性，对增强现实和虚拟现实近眼显示器的需求激增。它们在教育、游戏和社交等领域具有巨大的商业利益，而且在夜视和增强视力方面同样具有重要的国防和国家安全利益。
人眼是一个高度优化的系统，所以需要卓越的光学性能来促进用户与虚拟现实之间的交互。作为参考，人类视觉的全视场大约是120度。然而，在近眼显示器中实现这样的性能提出了重大的光学工程挑战。另外，近眼光学必须薄而轻，以确保用户舒适和安全，特别是长时间使用。
对于传统的光学器件，通常需要在紧凑的外形和性能之间进行权衡，而近眼显示的终极挑战是两者都需要。
舒适的阅读距离约为35厘米，这比头戴式近眼显示器与眼睛之间的距离大得多。所以，近眼光学面临的挑战是将图像投射到靠近眼睛的显示器，使其达到舒适的距离，以避免视觉疲劳和不适。类似地，夜视镜的常见配置是通过物镜收集近红外反射光，将其转换为可见光，并通过目镜光学元件耦合到眼睛。
在所述两种应用中，目镜光学都需要准直近眼照明，以便将图像投影到舒适的距离。另一方面，光学器件和眼睛表面之间可接受的最小物理距离（称为眼距）约为1.5厘米。这意味着需要紧凑的光学器件。
目前常用的方案是Pancake透镜，但由于偏光转换，效率较低。新兴的光学技术已经准备好满足近眼显示的需求，包括全息光学元件和泄漏波导。
业界有将超表面直接集成到Micro LED显示器进行准直的方案，但尚未得到实验证明。超薄和多功能超光学是另一个有前途的近眼显示平台。超光学由亚波长散射体阵列组成，以将空间变化的相移传递给入射光。
由于纳米级光刻技术的进步，近红外和可见波长的超光学元件制造现在已经可用，而最近的研究展示了具有宽视场，宽带性能和大口径的可见和近红外元光学元件，并用于各种应用，包括AR/VR。
特别是，在紧凑的形状参数中实现宽视场的能力使得超光学特别适合近眼显示应用。
与传统的折射光学类似，将数个透镜堆叠成双透镜或三透镜，为提高性能和附加功能提供了更多的自由度。尽管早就有相关提案且令人印象深刻，但相关种设计的入口孔径都太小，不足以用作近眼显示器的目镜。
由于单色赛德尔像差随孔径大小和视场角度的变化而变化，对于同时具有大孔径和宽视场的光学元件而言，获得高光学质量非常困难。为了在大视场和相对较大的孔径中实现衍射极限分辨率，我们需要双透镜结构。在这种配置中，第一超表面同时起入口孔径和校正板的作用，第二超表面则起对焦透镜的作用。
在研究中，华盛顿大学，麻省理工学院，马萨诸塞大学，加州大学团队展示了一种超光学双目镜，视场超过60度，入口孔径为2.1厘米。在设计波长为633 nm时，超光学双光镜达到了与基于折射透镜的目镜系统相当的性能。
研究人员采取步进式方法来实现大孔径光学元件，首先在一个1厘米孔径的元光学双透镜展示80度视场的概念。然后，演示了全尺寸系统与大孔径（2厘米）和60度视野。
团队平衡了紧凑的形状参数，孔径大小和视场之间的权衡，以实现与商用目镜相当的超光学双目镜性能，并满足近眼显示的常见基准。他们指出，这项研究缩小了先前宽视场超透镜演示与实际应用之间的差距。
研究人员注意到，超光学双透镜的性能不受衍射限制。人的视力为20/20，对应于1角分角分辨率，或约0.3 mrad。在这个分辨率下，通过超光学目镜实现的对比度约为50%。在正常入射下，成像质量与同类商用折光透镜相当，在宽视场下成像质量更好。
在这项研究中，对视场的主要限制是可以合理制造的元光学元件的最大直径。通过增加MS1的直径，超光学元件可以捕获更大入射角的光，这将增加可获得的视场。如研究所示，可以实现180度视场的超光学元件，但这只适用于小入口孔径。
超光学的孔径实际上受到电子束光刻可行写入时间的限制。包括深紫外光刻的其他制造技术可以提供更快的写入时间，所以更适合大孔径和大规模生产。然而，在深紫外光刻设备中实现的分辨率约为250 nm，这不足以制造出具有亚波长周期性的可见超原子。
团队介绍了通过利用更大的周期性超原子来克服这个问题的努力。他们设计了周期为1100 nm的超原子，并利用括深紫外光刻技术制备了全孔径2厘米的元光学器件。然而，由于相位采样不足引入的混叠问题，超光学的视场限制在大约40度。
相关论文：Wide Field of View Large Aperture Meta-Doublet Eyepiece
总的来说，研究人员展示了一种用于近眼显示的大孔径、宽视场的超光学双目镜。设计考虑了现实的约束条件，如适眼距和显示尺寸等。他们展示了一个孔径为1厘米的较小系统作为概念验证，以及一个2厘米的全尺寸系统。在这两种情况下，系统的实验性能与设计密切一致，并在至少60度全视场内表现出一致的性能。
