近日，聯(lián)盟理事長、南方科技大學(xué)納米科學(xué)與應(yīng)用研究院執(zhí)行院長孫小衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Light: Science & Applications》上發(fā)表題為“An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays”的研究論文。該研究提出了一種創(chuàng)新的超表面光波導(dǎo)技術(shù)，首次從根本上解決了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示中的色差問題，為AR顯示技術(shù)的發(fā)展開辟了新的方向。

在AR技術(shù)的演進(jìn)過程中，顯示系統(tǒng)始終面臨著“更清晰”與“更輕薄”的雙重挑戰(zhàn)。從早期的反射鏡顯示到如今的光波導(dǎo)顯示，技術(shù)的每一次迭代都在向這一目標(biāo)邁進(jìn)。衍射光波導(dǎo)因其超薄特性，已成為HoloLens、Meta Orion等主流AR設(shè)備的核心技術(shù)。然而，色散效應(yīng)導(dǎo)致的圖像失真問題一直是該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。

圖1. 超表面光波導(dǎo)AR顯示系統(tǒng)示意圖

孫小衛(wèi)團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新的逆向設(shè)計(jì)方法，提出了一種全新的解決方案：利用超表面耦合器和單層高折射率光波導(dǎo)，成功攻克了色差難題。超表面是一種由人工納米結(jié)構(gòu)組成的光學(xué)元件，能夠精確調(diào)控光的相位、振幅和偏振特性。研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化超表面耦合器的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保RGB三色光在出射時(shí)具有一致的偏轉(zhuǎn)角度與耦合效率，從而有效消除了色差問題。

圖2. 傳統(tǒng)光波導(dǎo)與超表面光波導(dǎo)的對比。（a）傳統(tǒng)光波導(dǎo)通過一階衍射將光耦合到光波導(dǎo)中，導(dǎo)致波長依賴的偏轉(zhuǎn)角度；（b）傳統(tǒng)光波導(dǎo)的K矢量圖，重疊的全彩視場角較?。唬╟）超表面光波導(dǎo)通過高階衍射實(shí)現(xiàn)無色差的光耦合；（d）超表面光波導(dǎo)的K矢量圖，具有更大的全彩視場角。

這一技術(shù)突破不僅解決了傳統(tǒng)耦合器件的色差瓶頸，還為全彩光波導(dǎo)顯示提供了全新的技術(shù)路徑。超表面波導(dǎo)技術(shù)具備多項(xiàng)顯著優(yōu)勢：單層結(jié)構(gòu)簡化了制造工藝，高折射率設(shè)計(jì)擴(kuò)展了視場角，優(yōu)化的耦合效率確保了全彩顯示效果。這些特點(diǎn)使其在下一代AR設(shè)備中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，標(biāo)志著AR顯示技術(shù)即將邁入一個(gè)全新的發(fā)展階段。

圖3. AR全彩顯示效果。

該研究工作的第一作者為南方科技大學(xué)與鵬城實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生田仲韜，孫小衛(wèi)講席教授為唯一通訊作者。南方科技大學(xué)為第一通訊單位，鵬城實(shí)驗(yàn)室為第二通訊單位。研究得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和廣東省、深圳市等單位的資助支持。（來源：南方科技大學(xué)）