封面 | AR显示新范式-成像与显示位置可调超构元件

      增强现实（Augmented Reality, 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，例如调节辐辏冲突（vergence-accommodation conflict, VAC）以及有限的眼动范围（eyebox）问题。为克服这些问题，AR领域亟需开发轻便、集成化且能够动态调控焦距的光学元件。尤其是眼动范围的大小直接决定了用户在观看近眼显示器内容时，眼睛可自由活动而不发生暗影（vignetting）的空间区域。更大的眼动范围意味着用户瞳孔位置可有更大的容错空间，从而获得更加舒适、连续的视觉体验。目前主流的焦点动态控制或瞳孔追踪技术大多依赖于机械运动部件或多层液晶全息元件，这导致系统体积庞大、结构复杂。因此，开发轻巧、紧凑且可实现三维空间动态调焦的光学元件对于推动下一代AR显示技术发展至关重要。

      本文的交叉创新点在于：深入融合了先进的超构光学（光学/光子学）与增强现实（AR显示）技术，成功研发出一种全新的三维动态可调焦超构光学元件。具体而言，课题组创新性地将前沿的超构表面（metasurface）技术与莫尔（Moiré）理论、离轴菲涅耳透镜（off-center Fresnel lens）相位轮廓设计相结合，提出了一种无需复杂机械或电子控制即可轻松实现焦点精确动态调节的新型光学元器件。

      研究团队设计并制备了由三个级联超表面构成的集成化超构元件。通过巧妙设计的相位轮廓以及三个超表面之间的相对旋转角度，能够实现对光束焦点位置在三维空间（纵向z轴方向及横向x-y平面）的连续且精确的动态调控。相比于传统机械运动部件或液晶全息元件，这种基于超构光学的新方法极大地降低了系统的复杂性、厚度和重量，满足了AR显示技术轻量化、便携化、集成化的发展需求。

      更重要的是，这种创新的超构元件解决了长期困扰增强现实显示技术的两大关键难题：一是视差调节辐辏冲突（VAC），即用户观看近眼虚拟图像时，由于固定的成像距离与实际聚焦距离不一致而引发的视觉疲劳；二是眼动范围（eyebox）有限的问题，即用户眼睛稍微偏离理想位置即可能出现显示画面不完整或边缘暗影（vignetting）现象。该新型超构元件不仅能够将虚拟图像的焦点灵活调整到用户观看的实际深度，有效缓解甚至消除VAC问题；同时还可通过动态调整焦点位置实现类瞳孔追踪功能，显著扩大可视区域和眼动范围，提升了用户观看舒适度和视觉体验。

      此外，该技术方案不依赖于特定的光源和复杂的控制系统，在实际应用中也未发现明显的光学像差，展现出极佳的实用性能和广泛适用性，能够与现有AR显示设备无缝集成，极具商业化和产业化前景。这种超构光学与AR显示的深度融合创新，有望推动AR技术从实验室走向更加轻便舒适、更高性能、更贴近用户实际需求的商用化阶段。

      研究团队联合提出并实验验证了一种三维动态调焦超构元件。该元件由三个级联的超表面组成，分别设计为莫尔相位和离轴菲涅耳透镜相位轮廓。通过旋转三个超表面的相对角度，可实现对532nm光源焦点在三维空间（纵向和横向）的连续动态调控。器件由高折射率TiO₂纳米柱阵列组成，采用电子束光刻和刻蚀工艺制备。实验显示，该超构元件的有效焦距可实现3.7 mm至33.2 mm的连续变化，横向焦点位置也能在同等范围内灵活调整。动态眼动范围扩大至4.2 mm至5.8 mm，显著提升了AR显示的性能和舒适性。

      本工作成功展示了一种全新的三维动态调焦超构元件，突破了VAC和眼动范围的技术瓶颈，有望推动AR技术迈向更轻便、更舒适、更高性能的下一代显示技术。未来研究可进一步优化超构元件结构和材料，提升光学效率和视场角，开发可同时适用于多波长的消色差设计，并结合先进的计算成像算法，推动AR显示技术向实用化和商品化迈进。