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VR/AR设备更薄了!哈佛大学突破光学瓶颈,成功研发毫米级平面透镜

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在过去的几十年里,科学技术发展迅速,但也有一部分停滞不前,譬如光学镜头。与多年来变得更小、效率更高的电子设备不同,光学透镜在大约3000年的时光里,其设计和底层物理几乎没有变化。 这也导致了下一代光学系统的发展瓶颈,如用于虚拟现实的可穿戴显示器,它需要紧凑、重量轻、成本低的组件。

VR/AR设备更薄了!哈佛大学突破光学瓶颈,成功研发毫米级平面透镜

近日,在哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS),由费德里科·卡帕索、罗伯特·华莱士应用物理学教授和温顿·海斯电气工程高级研究员领导的研究团队,就有望打破这一瓶颈。他们的团队一直致力于开发下一代透镜,希望用简单、平坦的透镜代替笨重的曲面透镜,利用纳米结构聚焦光线。

2018年,卡帕索的团队开发了无色、无像差的金属,可以在可见光谱范围内工作。可惜的是,这些透镜直径只有几十微米,实际应用于VR和AR系统太小了。

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现在,研究人员又开发了一种两毫米的消色差金属,可以无像差地聚焦RGB(红、蓝、绿)颜色,与此同时,还发明了一种用于VR和AR应用的小型化显示器。

卡帕索说:“这种先进的透镜为VR平台开辟了一条道路,并突破了新光学设备发展的瓶颈。”

另一位研究人员表示,我们利用新的物理学和新的设计原理,研制出这种平面透镜,可以取代当今光学器件中笨重的透镜。这是迄今为止最大的RGB消色差金属,这些透镜可以放大到厘米大小,可以大规模生产,并上架在商业平台上。

据悉,这种透镜跟以前的一样,都是使用二氧化钛纳米纤维阵列来均匀聚焦波长的光并消除色差。研究人员通过设计这些纳米阵列的形状和图案,控制红色、绿色和蓝色光的焦距。

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为了将透镜集成到VR系统中,该团队使用一种叫做光纤扫描的方法,开发了一种近眼显示器。该显示器受光纤扫描的内窥镜生物成像技术的启发,使用光纤穿过压电管。当电压施加到管上时,光纤尖端左右上下扫描并显示图案,形成小型化显示器。该显示器具有高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域。

在VR或AR平台中,金属将直接位于眼睛的前方,显示器将位于金属的焦平面内。在金属的帮助下,显示器扫描的图案被聚焦到视网膜上,在那里形成虚拟图像。对人眼来说,在AR模式下,图像作为风景的一部分出现,离我们的实际眼睛有一段距离。

接下来,该团队的目标是进一步扩大透镜的规模,使其与当前的大规模制造技术兼容,以低成本进行大规模生产。

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