尽管过去几十年头戴式显示技术取得了进步，但光学镜头的发展却一直停滞不前。与多年来变得更小、更高效的电子设备不同，光学透镜的设计和基本物理原理在过去3000年中都没有发生太大变化。这一挑战为下一代光学系统的发展造成了瓶颈，例如用于虚拟现实的可穿戴显示设备，这些系统需要紧凑、轻便且具有成本效益的组件。在哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)，一个由FedericoCapasso、应用物理学教授RobertL.Wallace和电气工程高级研究员VintonHayes组成的研究小组一直在开发一种新一代光学透镜有望取代笨重的曲面透镜，使用简单、平坦的纳米结构表面来聚焦光线。2018年，Capasso的团队开发了可在整个可见光谱范围内工作的无色差超透镜（metalenses）。但这些镜头的直径只有几十微米，太小了，不适合用于VR和AR系统。现在，研究人员开发了一种2mm无色超透镜，可以聚焦RGB（红、蓝、绿）颜色而不失真，并开发了用于VR和AR的小型显示器。研究论文已发表于《Science Advances》。“这种先进的镜头为新的虚拟现实平台开辟了道路，克服了阻碍新光学设备发展的瓶颈，”该论文的资深作者卡帕索说。SEAS博士后研究员、该论文的第一作者李兆义：“通过使用新的物理和设计原理，我们开发了一种平面透镜来取代当今光学设备中的笨重透镜。这是迄今为止最大的RGB消色差元透镜，并展示了这些镜头可以放大。”到厘米大小，可以批量生产以集成到商业平台中。”与之前的超透镜一样，这种新型超透镜使用二氧化钛纳米鳍阵列来均匀聚焦光的波长并消除色差。通过设计这些纳米阵列的形状和图案，研究人员可以控制红光、绿光和蓝光的焦距。为了将镜头集成到VR系统中，该团队使用一种称为光纤扫描的方法开发了一种近眼显示器。该显示器的灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像，使用穿过压电管的光纤。当向管子施加电压时，纤维尖端会上下左右扫描以显示图案，从而形成微型显示器。该显示器具有高分辨率、高亮度、高动态范围和广色域的特点。在VR或AR平台中，单个hyperlens将直接放置在眼睛前方，而显示器将位于镜头的焦平面中。显示器扫描的图案在超透镜的帮助下聚焦到形成虚像的视网膜上。“我们已经展示了Meta-Optics平台如何帮助解决当前VR技术的瓶颈，这些技术有可能应用于我们的日常生活，”李说。据悉，该团队的下一个目标是进一步扩大镜头的尺寸，使其与当前的制造技术兼容，以低成本实现量产。
