VR/AR撞见超表面，有机遇也有挑战

《激光与光电子学进展》于2022年第20期（10月）推出“VR/AR显示技术及应用”专题，本封面为同济大学精密光学工程技术研究所王占山教授、程鑫彬教授团队的特邀综述“超表面VR/AR显示技术研究进展”。

论文对主流的VR/AR显示技术进行系统性综述和比较，重点介绍了基于超表面的近眼显示光学元件和微型显示设备的原理、性能及应用，总结了超表面微纳加工和大面积、批量制备方法，展望超表面VR/AR显示技术的发展趋势和研究方向。

封面解读

本封面形象示意出了一种基于超表面的增强现实（AR）成像技术的原理：虚拟的图像经过AR眼镜两侧的微型显示设备输出，并通过耦入超表面耦合进镜片中，光波在其中发生多次全内反射，然后通过超表面耦出，在人眼前呈现出“上海外滩”的虚拟景象，虚拟景象与现实世界的背景环境相互融合和补充，使用者获得沉浸式体验。

文章链接

罗栩豪, 董思禹, 王占山, 程鑫彬. 超表面VR/AR显示技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(20): 2011002

未来黑科技：VR/AR

“元宇宙（metaverse）” 是与现实平行的3D世界。虚拟现实（VR）和增强现实（AR）则是开启“元宇宙”大门的钥匙，能提供一个多用户交互的平台，被广泛认为是未来的“黑科技”。VR是通过创建一个完全由计算机生成的环境来实现的，它替代了现实世界，将用户与物理世界完全隔离开来。用户佩戴VR眼镜，可以进入并沉浸在各种虚拟环境之中，如图1（a）所示。AR是一种将现实世界信息和虚拟世界信息叠加的新技术，是把原本在现实世界很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术模拟仿真后，将生成的虚拟信息叠加应用到现实世界中，如图1（b）所示。

图1 VR/AR显示技术原理。（a）VR显示系统简图；（b）AR显示系统简图

在VR/AR头戴显示器中，微型显示器输出虚拟画面，经由光学元件将画面成像在人眼前。近些年，沉浸式概念被重新审视，先进的近眼显示光学元件和微显设备重塑了VR/AR系统。当前近眼显示光学的方案主要有折反射元件、非球面和自由曲面、以及几何光波导和衍射光波导等方案。微型显示设备主要有硅基液晶(LCoS)、有机发光二极管(OLED)、微型发光二极管(Micro-LED)，以及激光束扫描(LBS)等。VR/AR系统已经迎来了新一轮的蓬勃发展，正朝着更小、更轻、更薄的趋势在进步。

超表面作为一种在二维平面上按照人为方式进行排列的亚波长电磁调控单元结构，几乎可以对光波的振幅、相位、偏振和频率参量进行任意调控。它具有超薄、平面化、低损耗和易集成等优点，被普遍认为是下一代新型的光学元器件，为VR/AR显示技术提供了全新的思路和解决方案。

基于几何相位超透镜的AR显示

超表面和超透镜前所未有的操控光的能力为其广泛应用于AR/VR先进显示带来了机遇。2018年，首尔国立大学的研究团队[1]首先提出了利用各向异性超表面单元，构造高数值孔径（NA）、大孔径和宽带的超透镜，实现了一个紧凑的、大视场角、高分辨率和全彩的AR近眼显示器，如图2所示。

该超表面的单元结构利用了几何相位效应，即Pancharatnam−Berry (PB)相位，因此具有宽带效应。在共偏振传输模式下，它透射来自现实场景的光，而在交叉偏振传输模式下，它具有透镜聚焦效果，实现虚拟信息成像。超透镜的球差比传统透镜要小，所以大视场的图像在边缘区域的畸变也非常小。不过基于几何相位超透镜的AR系统仍然存在色差，需要借助额外的二向色镜组来实现全彩显示，这无疑增大了整体的体积。

图2 几何相位超透镜全彩AR近眼显示。（a）超透镜结构单元；（b）超透镜的照片和电镜图；（c）超透镜近眼显示；（d）红、绿、蓝三色AR成像

基于消色差超透镜的VR/AR显示

为了消除超透镜在VR/AR显示系统中色差的影响，2021年，哈佛大学研究团队[2]通过光的相干干涉和色散工程的协同设计，实现了红绿蓝(RGB)离散波长消色差超透镜，如图3所示。这是离散消色差透镜应用于紧凑VR/AR近眼显示的一个很好的起点，不过该方案存在视场角和数值孔径较小、成像效率较低的问题，并且超透镜的尺寸局限在毫米级别，这限制了其广泛应用。

图3 消色差超透镜用于VR/AR近眼显示。（a）超透镜的电镜图；（b）超透镜在XZ平面上测量的焦强度分布；（c）VR模式示意图；（d）RGB混合而成的7种颜色的VR图像；（e）AR模式示意图；（f）AR的RGB三色成像结果

为了进一步解决大口径消色差超透镜的设计问题，2022年他们通过逆向设计来优化离散消色差超透镜[3]。这项工作将RGB离散波长消色差超透镜的直径增加到了厘米级别，偏振不敏感的超表面单元提升了聚焦效率，并且更适合半导体工艺大规模生产。未来的挑战是高阶像差的修正，以及如何进一步提高聚焦效率以降低VR设备的功耗。

基于共形超表面（metaform）的AR显示

2021年，罗彻斯特大学研究团队[4]提出“metaform”的概念，如图9（a）所示，它将自由曲面光学和超表面的优势集成到一个单一的光学组件中。这种方案的原理简单，即光与自由曲面还有超表面相互作用，分别获得积累相位并将它们叠加。自由曲面和超表面可以单独设计，一般制定成符合眼镜要求的非球面形状。反射式的metaform影响了整体的透过率，虽然这一点可以通过随机阵列来改进，但开发透射式方案仍然很有必要。

图4 metaform用于AR近眼显示。（a）metaform的示意图；（b）制造出来的metaform的照片和局部放大的电镜图；（c）基于metaform的AR眼镜架构的自上而下的草图

基于超表面光波导的AR显示

在实现紧凑、高性能AR显示方面，超表面光波导是一种非常有前景的光学元件。2019年，密歇根大学研究团队[5]提出了基于PB相位的偏振复用超表面光栅波导和两个衍射光栅波导组成的AR显示系统，如图5（a）所示。该系统简化了波导式三维立体AR显示的配置，使系统更紧凑、更轻和更容易集成。此外，2022年加州大学洛杉矶分校的研究团队[6]还提出了基于超表面光波导的AR显示系统，实现了高分辨率全彩的AR显示，如图5（b）所示。

图5 超表面光栅用于AR近眼显示。（a）基于偏振复用超表面光栅波导的立体显示；（b）基于超表面光栅的高性能AR波导眼镜

基于片上集成超表面全息的AR显示

片上集成的超表面全息也被用于实现高性能、轻量化和紧凑的AR显示。2022年，武汉大学的研究团队[7]提出了一种集成在波导上的偏振复用超表面，实现了双通道的AR近眼全息显示和半透明屏幕显示，如图6（a）所示。不过，该超表面一旦制作完成，用于AR显示是静态的。有趣的是佐治亚理工学院的研究团队[8]曾报道过将超表面全息应用到更加先进的隐形眼镜AR显示，如图6（b）所示。这类基于超表面全息的AR显示，可以结合多通道复用功能，有望广泛应用于紧凑的、轻量化和多功能的AR系统。

图6 超表面全息AR显示。（a）片上超表面用于复用的AR全息显示；（b）超表面全息隐形眼镜用于AR显示

基于超表面的微型显示设备

光学超表面在增强和控制光波的发射、调制、整形和检测等方面具有强大能力，因此在微型显示设备中引入超表面是实现高效率和高性能VR/AR系统的有效途径。为了满足下一代微型显示器对超高像素密度的需求，2020年，韩国三星电子研究团队[9]报道了一种基于超表面反射镜的法布里-珀罗（Fabry-Pérot，FP）腔的新颖meta-OLED器件。这种器件具有超高像素密度、高发光效率、高颜色纯度以及可大规模制造等优点，可以预见它将成为下一代微型显示设备的领先技术。

图7 超表面驱动的OLED显示屏。（a）meta-OLED示意图；（b）meta-OLED电致发光的光谱（c）meta-OLED的电镜图及其电致发光图；（d）随像素尺寸大小变化的meta-OLED电致发光图

超表面的大面积、批量制造技术

图8为深紫外（DUV）光刻技术制备大面积超表面的工艺流程[10]。通过使用分辨率更高、波长更短的光刻技术，比如极紫外（EUV）光刻，可以获得结构更加复杂、质量更高的大面积超表面。

图8 DUV光刻技术制备大面积超表面

图9为批量制造超表面的纳米压印工艺的流程。纳米压印工艺过程简单、分辨率高、成本低，与光刻技术相辅相成，为大面积的超表面制造提供了高效复制方案并适用于工业化生产。

图9 超表面的批量制造纳米压印工艺

总结与展望

目前超表面在VR/AR中起到了补充或者替代传统的光学元件的作用，并表现出了小色差、大视场角、高分辨率和结构紧凑等优异性能。超表面多参量（偏振、振幅、相位和频率）调控以及复用能力的优势在VR/AR的应用中还没完全得以体现，应用于VR的大面积高NA的连续波长消色差超透镜也没有得到实现。目前，超表面的制造成本相对传统光学元件还没有优势，这是限制其在VR/AR中广泛应用的主要因素。

透射式metaform，具有大Eyebox（近眼显示光学模组显示内容最清晰的区域）、大视场角、全彩的二维超表面光栅，动态的超表面AR全息显示，这些都是未来需要研究的方向。而对于微型显示器，超表面除了增强光谱和定向发射外，一些其它的显示功能仍然有待探索，比如偏振定制。随着创新设计和制造工艺的进步，超表面在VR/AR显示中将展现出更多超越传统光学元器件的新功能和新性能。

参考文献

[1] Lee G Y, Hong J Y, Hwang S, et al. Metasurface eyepiece for augmented reality[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 4562.

[2] Li Z Y, Lin P, Huang Y W, et al. Meta-optics achieves RGB-achromatic focusing for virtual reality[J]. Science Advances, 2021, 7(5).

[3] Li Z Y, Pestourie R, Park J, et al. Inverse design enables large-scale high-performance meta-optics reshaping virtual reality[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 2409.

[4] Nikolov D K, Bauer A, Cheng F, et al. Metaform optics: Bridging nanophotonics and freeform optics[J]. Science Advances, 2021, 7(18).

[5] Liu Z Y, Zhang C, Zhu W Q, et al. Compact Stereo Waveguide Display Based on a Unidirectional Polarization-Multiplexed Metagrating In-Coupler[J]. ACS Photonics, 2021, 8(4): 1112-1119.

[6] Boo H, Lee Y S, Yang H, et al. Metasurface wavefront control for high-performance user-natural augmented reality waveguide glasses[J]. Scientific Reports, 2022, 12(1): 5832.

[7] Shi Y Y, Wan C W, Dai C J, et al. On-chip meta-optics for semi-transparent screen display in sync with AR projection[J]. Optica, 2022, 9(6): 670-676.

[8] Lan S F, Zhang X Y, Taghinejad M, et al. Metasurfaces for Near-Eye Augmented Reality[J]. ACS Photonics, 2019, 6(4): 864-870.

[9] Joo W, Kyoung J, Esfandyarpour M, et al. Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch[J]. Science, 2020, 370(6515): 459-463.

[10] Park J, Zhang S Y, She A, et al. All-Glass, Large Metalens at Visible Wavelength Using Deep-Ultraviolet Projection Lithography[J]. Nano Letters, 2019, 19(12): 8673-8682.

作者介绍

程鑫彬，同济大学物理科学与工程学院教授、博士生导师，精密光学工程技术研究所所长，国家杰出青年基金获得者，获国家技术发明奖二等奖，获得中国专利金奖，激光薄膜技术实现成果转化。主要从事微纳智能感知、强激光器件和纳米计量方面的研究。承担国家重大科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目十余项，以第一/通讯作者发表Light: Science & Applications、Optica、Optics Letters等三十余篇文章。

课题组简介

同济大学王占山教授领导的精密光学工程技术研究所成立二十年来，以探索前沿科学问题、突破核心关键技术、服务国家重要应用为目标，形成了理论与模拟相结合、科学问题解决与关键技术突破相结合、基础研究与重要应用相结合的特色，打造了高水平研究平台，在X射线器件与系统、强激光薄膜与应用、光学纳米计量与测试、微纳光学与智能感知四个研究方向上取得了突出的研究成果，已成为高层次人才培养和高水平科学研究的重要基地。先后承担了国家科技部、国家自然科学基金委员会、教育部和上海市等国家和地方重要科研项目30余项，获国家技术发明二等奖1项（2019年），教育部技术进步（专用）二等奖1项（2019年），教育部技术发明一等奖1项（2015年），上海市技术发明奖二等奖（2011年）。