南方科技大学创新全彩AR系统克服色差挑战
在波导支持的最大视场范围内（超过45°）表现出真正的消色差行为
（映维网Nweon 2025年02月27日）AR正在成为下一代交互平台，提供比传统平板显示器更深入的人机交互和沉浸式体验。衍射波导是一种非常有前途的光学组合技术，因为它具有最薄的几何形状和最轻的重量。然而，衍射耦合器严重的色差问题制约了衍射波导的广泛应用。
波长相关的光偏转是由耦合和耦合过程中的色散引起的，导致有限的全彩视场以及色域和角域的不均匀光学响应。
所以，南方科技大学团队介绍了一种创新的全彩AR系统，利用逆设计超表面耦合器和高折射率波导的组合来克服色差这一长期存在的挑战。优化后的超表面耦合器在波导支持的最大视场范围内（超过45°）表现出真正的消色差行为。
AR有可能彻底改变我们感知数字世界和与数字世界互动的方式，所以不断引起人们的关注。它正在为各种前沿领域带来了新的机遇，如智能工业、智能医疗、智能旅游等等。业界已经提出了一系列不同的光学架构，而衍射波导组合器已成为商用AR设备的首选，因为它们可以实现眼镜般的形状参数、最小的重量、高吞吐量和大规模生产能力。
但受衍射引起的光谱扩展的限制，衍射耦合器遭受相当大的色散，从而严重限制了它们的全彩显示应用。为了缓解这一问题，一个直接的方法是使用对称的耦入器和耦出器配置。尽管所述结构可以补偿光谱扩展，但不同波长的光在耦出器处会发生空间位移，这将导致视窗强烈的颜色不均匀性。另外，光谱扩展降低了有效视场。
所以，消除色散而不影响视场的常见方法包括使用三个波导，每个波导专用于特定的RGB颜色。然而，这种方法不可避免地增加了系统的复杂性，产生了伪影，并且由于波导错位而降低了调制传递函数（MTF） 。同时，传统的耦合器在实现整个RGB视场的照度均匀性方面面临挑战，主要是由于在耦入器和耦出器的光谱和角域操纵衍射效率的复杂性。
超表面是一种新型的光学元件，可以通过共振相位、传播相位、几何相位或非局部相位调制来控制光的相位、振幅和偏振。超表面复杂的光操纵能力现正集成到尖端的显示技术中，并在光学工程方面取得了重大进展。
近年来，由于其高度的设计自由度和灵活的光场调制能力，超表面在AR显示中显示出了巨大的潜力。基于超表面的波导AR显示器的开创性开发在拓宽角带宽、提高效率、扩大视场和波长复用方面取得了显著进展。
对于波导AR显示器的色差校正，色散补偿波导提供了一种解决方案，但它导致视场受限，且出口瞳小。替代的方法包括由9层二氧化钛和二氧化硅堆叠的介电层构成的超结构，以及由三层铝、银和金组成的超结构。值得一提的是，到目前为止，大多数消色差超表面耦合器都依赖于复杂的多层纳米结构来提高设计灵活性和实现所需的分散控制。然而，这种方法会导致具有挑战性的制造过程。不仅只是这样，耦合器固有的强角扩展不可避免地导致颜色和角均匀性的退化。
针对上述问题，南方科技大学展示了一个超表面波导AR显示器，它结合了输入和输出超表面耦合器和高折射率波导，结构紧凑。
基于超表面波导的实验样机实现了高质量的全彩AR图像显示。与传统衍射波导相比，团队提出的超表面波导设计具有单层结构，可以显著实现器件小型化并有效抑制波导色散。
波导系统实现了卓越的色彩和角度均匀性，满足了AR应用的严格要求。这一突破使无需多导对齐的全彩显示成为可能，同时在降低制造成本的情况下确保最佳MTF。这种卓越的性能是通过基于伴随方法的逆设计超表面耦合器实现0。所述方法促进了复杂结构的自动化开发，具有超越经典超表面的独特功能。
团队表示，所提出的超表面波导以单层的方式实现了高均匀性和色彩精度的全彩显示，为用户友好的AR眼镜佩戴体验铺平了道路。
相关论文：An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays
他们提出的消色差超表面波导采用超薄超表面（全二元SiN纳米结构）耦合器和单片波导，使全彩色AR显示器的制造简单且经济高效。超表面耦合器有效地利用了反射模式下RGB波长的不同衍射顺序，通过光学响应优化实现了高颜色和角均匀性。
提高消色差超表面波导AR显示的效率需要优化耦入器，而这可以通过战略性地应用反射涂层来实现。鉴于系统固有的偏振选择性，未来的努力将集中在设计和实现二维偏振不敏感的超表面，从而扩大波导设计的适用性。
另外，抑制过高的高阶衍射对于实现宽视场显示至关重要。没有高阶衍射的消色差设计的替代方法可能受益于多周期光栅。
团队总结道：“我们的消色差超表面波导技术在全彩显示、大视场支持、紧凑的外形和低制造成本方面展示了独特的优势，显示出未来AR显示应用的巨大前景。”
