据中国激光杂志社网，于2023年11月06日报道， 近年来随着元宇宙概念的兴起，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术正在快速发展。近眼显示技术是VR和AR的关键技术，尽管近眼显示技术发展迅速，但仍存在大视场、高分辨率、高图像质量、真实的3D效果和紧凑轻巧等挑战。目前的工作往往需要在视觉效果和设备紧凑性上做出平衡。随着传统光学在解决这些挑战方面接近极限，具有高光调制能力超表面光学元器件可能是未来一个很有前途的解决方案。
随着超表面技术的发展，越来越多的新颖超表面器件被应用于AR/VR近眼显示系统中。为总结近年来超表面技术在近眼显示中的发展进步，来自上海交通大学的团队，回顾了基于超表面器件近眼显示的最新进展。
关键进展
上海交通大学苏翼凯教授、李燕副教授研究团队受邀在Opto-Electronic Science (光电科学，OES) 发表了题为“Metasurfaces for near-eye display applications”的综述文章。如图1所示，随着60年代第一个头戴近眼显示设备的出现，经过近六十年的发展，近眼显示技术日趋成熟，如图1所示。尤其最近十几年，相关电子应用产品，诸如Hololens，Apple Vision Pro， 正在潜移默化地改变人们的生活。值得注意的是，在2018年，超表面器件首次提出应用于近眼显示。由亚波长天线组成的超薄平面元件具有优越的光振幅、相位和偏振状态调制能力，优于传统的折射和衍射光学器件。许多光学超表面器件，包括光栅、透镜和全息图，为AR/VR设备的小型化提供了新思路。
文中首先介绍了VR和AR近眼显示基本概念，简要解释超表面的工作原理，然后主要回顾了面向近眼显示应用的超表面器件的最新发展，说明了它们在各种VR和AR架构中的工作原理、功能和性能特征。VR显示架构相对简单，其主要功能组件由图像源和目镜组成。理论上，超表面元件既可以作为图像源，也可以作为目镜。然而，对于VR显示器，图像源必须提供大尺寸、视频速率、全彩色的图像，以创建沉浸式虚拟环境。这明显超出了当前技术水平。因此，超表面在VR显示器中的应用主要局限于作为目镜的功能。
相比VR系统，AR系统中则需要加入光学融合器实现虚实融合的功能。超表面器件可以作为AR显示架构中的关键光学元件，如目镜、光学融合器等，取代传统的笨重光学元件或集成新的先进光学功能，以实现更紧凑、更轻便、高图像质量、大FOV AR显示。根据光学融合器件的不同，文中针对基于光束分束器（BS）、波导以及直接投影的光学结构分别进行了阐述，详细介绍了超表面器件在不同系统中起到的作用。图2所示是一种光学可透视的超透镜元件，该元件集目镜、透镜、分光镜的功能于一体，通过直接投影，实现AR的功能。
超表面在VR和AR近眼显示中具有巨大的应用潜力，可以提高成像性能，扩大视场或增加紧凑性。然而，大多数近眼显示技术仍采用双目视差式三维显示技术，这导致眼睛调焦和辐辏的矛盾（VAC）。为了解决这一问题，人们提出了许多自然舒适的3D显示方法，包括Maxwellian-viewing显示、全息显示、光场显示和变焦显示。由于超表面的多功能性，超表面设备已被用作这些先进的3D近眼显示器的重要光学元件，以帮助减轻视觉疲劳并提供更自然的3D视觉体验。如图3所示，是一种基于Maxwellian-viewing的真三维显示技术，并以超表面器件作为其光源器件实现具有不同深度信息的三维显示。
总结与展望
该综述介绍了基于超表面的近眼显示最新进展。由于其超薄的外形和出色的光调制灵活性和高度的设计自由度，超表面器件有望为开发紧凑轻便的VR/AR头显提供了一个有前途的解决方案。
该工作得到了国家重点研发计划项目(2021YFB2802100)和国家自然基金委项目(62075127和62105203)的支持。
研究团队简介
上海交通大学李燕团队一直致力于显示领域。该研究团队的主要研究方向包括AR/VR显示、液晶器件、3D显示等方向。该团队在显示领域多次获得ICDT会议优秀学生论文、ICDT会议优秀论文、JSID优秀论文等，在显示、光学领域发表论文100余篇。
主要作者：
苏翼凯：上海交通大学电子信息与电气工程学院教授、博士生导师。曾获得国家自然基金委杰出青年基金，并入选“长江学者奖励计划”。担任IEEE光子学会上海分会主席、受邀请在国际会议上作报告约七十次。拥有授权美国专利6项，中国发明专利50多项。多个国际会议共同主席（ACP等）、国际会议技术委员会委员（CLEO、OFC、ECOC、LEOS等）。研究方向：光电子集成芯片、光信号处理、高速光通信。
李燕：上海交通大学副教授、晨星学者，凯原十佳教师。研究方向为增强现实显示、3D显示、液晶器件等。在光学、显示领域知名期刊会议发表论文100多篇，现任SID Display Week、SPIE Photonics West, International Conference on Display Technology等国际会议的技术委员，曾任Optics Express副编辑，现任IEEE Photonics Journal、Journal of Society for Information Display副编辑。
黄小津：上海交通大学电子工程系博士研究生，研究方向为液晶器件设计及其在增强现实显示中的应用。
刘澍鑫：上海交通大学博士后，研究方向主要包括液晶器件、AR/VR显示技术等。主持国家自然科学基金青年项目。近年来在显示领域发表SCI论文20余篇。目前担任Crystals 客座编辑。
梁浩文：中山大学副教授。从事超构透镜光学成像、虚拟现实与增强现实显示、散射光学成像等先进光学成像与显示技术研究。近年来以第一作者及共同通信作者在PhotoniX, Nano Letters, Optica, Laser & Photonics Reviews, Photonics Research等刊物发表论文40余篇，获授权发明专利10余篇。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委面上项目、广东省重点领域研发计划课题等。为广东省特支计划青年拔尖人才、国际信息显示学会北京分会ARVR专业委员会委员、中国图象图形学学会三维成像与显示专业委员会委员、中国光学工程学会会员等。
