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导读
戴上AR眼镜,想要身临其境却总被“眩晕感”劝退?想要大视野,却无法兼顾真实的3D景深?近日,中山大学董建文教授与秦宗副教授团队在Light: Science & Applications 发表最新研究成果。团队研发了一种异构超构透镜阵列(MeLA),成功打破传统光学瓶颈,实现了无眩晕、大视场(50°)的单目3D XR显示。
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痛点:为什么戴AR会头晕?
目前市面上的AR眼镜普遍存在“视觉辐辏调节冲突”(VAC)——屏幕光线距离固定,但眼睛试图对焦虚拟的远方,导致大脑产生分歧,引发眩晕。虽然“光场显示”技术能提供真实的3D景深来消除眩晕,但受限于传统微透镜的边缘像差,其视场角极小(通常只有13°左右),就像透过一根吸管看世界。
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破局:给光线加上“定制导航”
为了兼顾“不晕”和“看得广”,中山大学团队巧妙设计了异构超构透镜阵列(MeLA)。与传统完全相同的微透镜不同,该阵列中的每一个超小透镜都经过个性化定制,将“球面透镜”与“微棱镜”的功能合二为一。它能像变魔术一样,将大角度的边缘光线精准“掰弯”并高清聚焦,完美消除了边缘图像的模糊与畸变。
传统微透镜与超构透镜原理对比图04
核心硬核突破
- 视场角狂飙4倍: 利用现有的商用微显示器,实验成功实现了50°的超大视场角,是传统技术的近四倍。仿真表明,若搭配更大屏幕,视场角可达86°,足以覆盖人类双目视觉极限。
- 纳米压印,走向大面积量产: 摒弃了昂贵低效的加工方式,团队采用纳米压印技术,成功制造出厘米级、具备7:1高深宽比的超构透镜阵列,为未来XR眼镜的低成本量产铺平了道路。
- 140 FPS 超高流畅度: 团队专门开发了专用的像素映射校正算法,在普通笔记本电脑上就能跑出 140 帧/秒(FPS)的渲染速度,彻底告别画面延迟。
50°视场实拍与走廊实景导航图05
设计结果
整体设计结果如下,其中,波长532 nm,光栅周期330 nm,纳米柱高度700
最小直径100 nm,最大直径230 nm,眼距18 mm,扫参时间6 s,一共9列
稀疏排布,横跨约13.2 mm,真实焦距1.8 mm,GDS出图15 min(3.7G)
直径与相位分析
传统超透镜与异构MeLA结果对比分析聚焦特性分布总结来说,这项研究利用一片超薄的超构透镜,同时实现了像差校正与视场扩展。未来,该技术有望在下一代消费级AR眼镜、工业制造及眼科医疗中大放异彩。
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论文信息
- 论文标题: Expanded field of view light-field extended-reality displays with metalens array
- 发表期刊: Light: Science & Applications (Nature Portfolio)
- 通讯单位: 中山大学物理学院、光电材料与技术国家重点实验室
- 文章链接: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02266-w