聚焦AR VR基于超表面器件的近眼显示
随着元宇宙的兴起，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术近年来迅速发展。近眼显示器是 VR 和 AR 的关键技术。尽管近眼显示技术发展迅速，但仍面临大视场(FOV)、高分辨率、高图像质量、自然自由3D效果和紧凑外形等挑战。为了在视觉性能和设备紧凑性之间取得平衡，我们付出了巨大的努力。虽然传统光学器件在应对这些挑战方面已接近极限，但超薄超表面光学器件凭借其高光调制能力，可能会提供一种有前途的解决方案。
随着超表面技术的发展，新型超表面器件已应用于AR/VR近眼显示系统。为了总结近年来超表面在近眼显示应用方面的进展，上海交通大学团队回顾了基于超表面器件的近眼显示的最新进展。
如图 1 所示，自 20 世纪 60 年代推出第一台 AR HMD 设备以来，近眼显示技术在过去 6 年来经历了快速发展。Hololens 和 Apple Vision Pro 等熟悉的设备正在彻底改变我们的生活。2018年，超表面设备首次被提出用于近眼显示器。超表面是由亚波长天线组成的超薄平面元件，为光振幅、相位和偏振态提供卓越的调制能力，优于传统的折射和衍射光学器件。人们对光学超表面器件(包括光栅、透镜和全息图)进行了广泛的研究。超表面有望作为近眼显示器的关键组件，取代笨重的传统光学器件或实现新颖的功能，为下一代 AR 和 VR 技术铺平道路。
在这篇综述中，作者首先介绍了VR和AR近眼显示器，然后简要解释了光调制超表面的工作原理，回顾了面向近眼显示应用的超表面设备的最新进展，深入研究了几种先进的自然3D近眼显示器-基于超表面的眼显示技术。VR显示器的架构相对简单，由两个主要功能组件组成：图像源和目镜。理论上，超表面设备可以充当图像源或目镜。然而，对于 VR 显示器，图像源必须提供大尺寸、视频速率、全彩图像，以创建身临其境的虚拟环境。这一要求超出了最先进的超表面的能力。因此，超表面在VR显示器中的应用主要限于充当目镜。
鉴于超表面的多功能性、高光学性能和超薄外形，已被提议作为各种 AR 显示架构中的关键光学组件。它们可以用作目镜、组合器等，取代传统的笨重光学器件或集成新的先进光学功能，以实现更紧凑、更轻、高图像质量和大视场的 AR 显示。作者回顾了基于分束器、波导和直接投影的超表面在不同 AR 架构中的应用。如图 2 所示，多功能遮阳板可以同时充当倾斜虚像光的目镜和将虚像光反射到观看者眼睛中的组合器，同时传输来自真实环境的光。
超表面在 VR 和 AR 近眼显示器中具有巨大的应用潜力，可提高成像性能、扩大视场或增加紧凑度。然而，大多数近眼显示器仍然采用立体 3D 显示技术，这可能会导致聚散调节冲突 (VAC) 和视觉疲劳。为了解决这个问题，人们提出了自然3D显示方法，包括麦克斯韦观看显示、全息显示、光场显示和多焦/变焦显示。由于超表面的多功能性，超表面器件已被用作这些先进的 3D 近眼显示器中的重要光学元件，以帮助缓解视觉疲劳并提供更自然的 3D 视觉体验。图 3 显示了麦克斯韦观看近眼显示器，它可以通过使用惠更斯超表面全息图作为显示设备来提供无调节虚拟图像。
这篇综述对近眼显示器超表面应用的最新进展进行了广泛的概述。凭借其超薄的外形尺寸和光调制方面的出色灵活性，超表面为紧凑型轻型 VR/AR 耳机的开发提供了一种有前景的解决方案。
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