左圖:在增強現(xiàn)實顯示器中應用metaform組合器的一個例子；

右圖:metaform概念說明,顯示了一個以自由曲面為基底的共形超表面

    現(xiàn)代消費類設(shè)備的技術(shù)要求，如用于增強和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）的顯示器和移動相機，超過了傳統(tǒng)光學器件的性能。對設(shè)備的緊湊性、圖像質(zhì)量和重量的挑戰(zhàn)性要求，使得發(fā)現(xiàn)和實現(xiàn)新的光學元件和架構(gòu)成為必要。在今年發(fā)表的工作中1,2， Daniel K.Nikolov等研究人員開發(fā)了從設(shè)計到制造的過程，結(jié)合這些技術(shù)來構(gòu)建一個新的光學元件—metaform。

    自由曲面光學的表面是非旋轉(zhuǎn)對稱的表面（在光學部件內(nèi)部或外部）3。自由曲面光學是最近光學設(shè)計革命的基石1。節(jié)點像差理論的發(fā)展也為自由曲面光學提供了新的設(shè)計框架4。這種方法，加上制造和測試方面的進展，使自由曲面光學成為光學設(shè)備小型化的可行技術(shù)3。

    自由曲面光學根據(jù)自由曲面的固有彎曲形狀來控制光線，而超表面則通過光線與固定在平面上的亞波長結(jié)構(gòu)的相互作用來實現(xiàn)光線控制。迄今為止，各種光學元件，如透鏡、偏振鏡和衍射光柵，都已經(jīng)利用平面化的超表面實現(xiàn)了2。

    最近， Daniel K.Nikolov等研究人員實現(xiàn)了一種新的光學元件，他們稱之為metaform5 。Metaform由一個整合成彎曲的自由曲面基板的超表面組成。他們在之前開發(fā)的自由曲面設(shè)計框架的基礎(chǔ)上，利用了自由曲面光學和超表面的成像優(yōu)勢。他們還開發(fā)了一種增強的電子束光刻工藝（通常只用于平坦的基底），使metaform的制造成為可能。

    為了展示metaform光學的應用， Daniel K.Nikolov等研究人員選擇了一個受AR顯示需求啟發(fā)的應用場景。基于自由空間組合的AR顯示器的一個共同挑戰(zhàn)是不理想的形狀因素，即組合鏡向用戶的臉部傾斜，形成一個 "蟲眼 "的外觀。使用metaform鏡作為組合器解決了這個問題，它利用超表面來傾斜圖像，而不需要傾斜metaform本身。此外，根據(jù)所開發(fā)的像差理論和設(shè)計框架，metaform的成像功能可以在自由曲面基底和超表面之間分配。由此產(chǎn)生的設(shè)備是一個微型成像器，具有理想的外形尺寸，可以裝入典型的太陽鏡。

    Daniel K.Nikolov等研究人員相信，metaform光學會成為一種可行的技術(shù)，用于更緊湊的AR/VR眼鏡。

    研究人員

    Daniel K. Nikolov, Aaron Bauer, A. Nick Vamivakas and Jannick P. Rolland, University of Rochester, Rochester, NY, USA

    參考文獻

    1. K.P. Thompson and J.P. Rolland. Opt. Photon. News 23(6) 30 (2012).

    2. P. Genevet et al. Optica 4, 139 (2017).

    3. J.P. Rolland et al. Optica 8, 161 (2021).

    4. A. Bauer et al. Nat. Commun. 9, 1 (2018).

    5. D.K. Nikolov et al. Sci. Adv.7, eabe5112 (2021).

    本文由瓏璟光電翻譯

    原文鏈接：

    https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_32/december_2021/extras/metaform_optics/