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中山大学开发出超薄纳米压印超透镜阵列来创建透视AR显示器的原型
发布时间:2024-05-28    来源:网络   阅读次数:390 分享到:

最近,中山大学的研究人员开发了一种原型,该原型利用超薄纳米压印超透镜阵列来创建透视 AR 显示器。该显示系统提供全彩、视频速率和低成本的 3D 可视化,解决了以前 AR 系统的关键局限性。

积分成像显示器是一种用于创建 3D 图像的成熟技术,构成了该技术的基础。该显示器使用透镜/针孔阵列捕获并再现场景的光场。与全息术不同,积分成像显示器不局限于相干光源,并具有全视差和减少视觉疲劳等优点。

该设备的核心是纳米压印超透镜阵列,它由一系列微小的超透镜组成。这些超透镜设计用于操纵亚波长尺度的光,从而可以精确控制透射光或反射光的振幅、相位、偏振和色散等特性,解决了传统微透镜阵列遇到的色差等问题。

虽然纳米压印光刻和实时渲染算法有望在 VR 和 AR 应用中推进积分成像显示器的发展,但仍然存在一些挑战。制造大尺寸超透镜阵列及其与用于积分成像显示器的商用微型显示器的集成依然是一项具有挑战性的任务。此外,现有纳米压印胶粘剂的低折射率需要高纵横比纳米柱来构建超透镜,以产生阴影效应,从而降低高空间频率下的衍射效率。

开发真正的交互式 3D 显示器需要动态超表面,以实现快速可调性和低功耗。尽管已经提出了动态超表面的相变和电光效应等机制,但该领域仍处于早期发展阶段。超表面与多个光自由度(如偏振、波长、轨道角动量和时空光束)相互作用的独特能力可以进一步增强基于超表面的显示器的动态功能和图像容量。

除了硬件挑战外,未来 3D 显示技术的软件方面还可以受益于机器学习、神经网络和人工智能的快速发展。这些进步有可能解决创建沉浸式 3D 可视化时与软件相关的复杂性。

集成成像技术是一种利用微透镜/针孔阵列记录和再现光场的光场3D技术,其分为记录过程和显示过程。所述技术的记录过程类似于苍蝇的眼睛机制,通过一大的微透镜阵列获得原始3D物体在不同视角下的元素图像阵列,该元素图像阵列包含了原始3D物体的全光场信息,类似于全息术。但与全息术不同,这种解决方案不局限于相干光源。通过显示器显示元图像,利用微透镜阵列可以将原始3D物体真实地重构出来。集成成像显示具有全视差和准连续视点等特性,可提供一种能够具有深度线索和避免视觉疲劳的真3D显示。

然而,由于技术限制,集成成像显示在21世纪之前进展缓慢,但随着算法的增强、制造能力的提高和微显示屏的发展,行业开始迅速发展,尤其是在过去十年中。对于下一代3D的显示技术,平面超构光学元件十分富有前景,超薄的超透镜是传统大体积透镜的理想替代品。

超透镜在亚波长尺度上表现出前所未有的操纵光的能力,能对透射或反射光的振幅、相位、偏振和色散进行精确调控。近年来,超透镜在集成成像显示方面显示出巨大的潜力,解决了传统微透镜阵列遇到的宽带消色差的问题。

然而,制造大尺寸超透镜阵列及其与用于集成成像显示器的商用微型显示器的集成依然是一项具有挑战性的任务。另外,用于编码3D物体和创建元素图像阵列的计算算法依然太慢,无法实现用于实际视频级集成成像显示器的3D物体的实时渲染。

所以在一项研究中,中山大学团队介绍了一种用于近眼3D集成成像显示器的大尺寸纳米压印超透镜阵列。系统结合了大尺寸超透镜阵列、商用微型显示器和实时渲染算法,能够产生具有运动视差和深度线索的高质量3D图像。

研究人员采用纳米压印制造技术和折射率为1.9的压印胶制造了一个大尺寸(1.84?mm乘1.84?mm)超透镜阵列,并通过3D打印支架将4乘4的高质量超透镜阵列与商用微型显示器集成。为了实现视频级集成成像显示,他们同时引入了一种利用了集成成像显示中体元素和像素之间静态映射的全新快速渲染方法。其中,这种渲染方法可以绕过传统的几何投影,通过查找表实现实时显示的性能。

相关论文:Beyond the lab: a nanoimprint metalens array-based augmented reality

https://paper.nweon.com/15563

当然,团队指出,尽管用于高质量超透镜制造和实时渲染算法的纳米压印光刻可以推动未来VR和AR应用的集成成像显示器的发展,但这一领域依然在一定的挑战。例如,高分辨率元素图像阵列显示是一个巨大的障碍,需要超小像素尺寸到亚微米级的微显示器。然而,制造这种超高像素密度微显示器目前仍面临着相当大的挑战。在这种情况下,具有高刷新率的时间复用光场显示技术有望提供可行的解决方案。

其次,可用的纳米压印胶水的折射率依然很低,需要高深径比的纳米柱来构建超透镜阵列,从而对微纳制作技术的精度提出非常高的要求和挑战。第三,真正交互式近眼3D显示器的开发需要结合3D交互技术以实现快速可调谐性和低功耗。

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