近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授耿子涵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）等單位，成功研發(fā)出一種新型三維可變焦超構(gòu)元件，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示中焦點(diǎn)位置的精確動(dòng)態(tài)調(diào)控。該成果為解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示中的調(diào)節(jié)輻輳沖突和有限眼動(dòng)范圍等關(guān)鍵技術(shù)難題提供了新的解決方案。

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圖1.三維可變焦超構(gòu)元件操控焦點(diǎn)位置和顯示的示意圖

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示技術(shù)因其能夠?qū)⒄鎸?shí)與虛擬世界無(wú)縫融合而備受關(guān)注。然而，目前AR顯示技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如調(diào)節(jié)輻輳沖突導(dǎo)致的視覺(jué)疲勞，以及有限的眼動(dòng)范圍影響用戶(hù)體驗(yàn)等問(wèn)題。傳統(tǒng)解決方案往往依賴(lài)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件或多層液晶全息元件，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。開(kāi)發(fā)輕巧、集成化且可實(shí)現(xiàn)三維空間動(dòng)態(tài)調(diào)焦的光學(xué)元件對(duì)推動(dòng)下一代AR顯示技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于莫爾理論的三維可變焦超構(gòu)元件。該元件由三個(gè)級(jí)聯(lián)的超表面組成，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的相位輪廓實(shí)現(xiàn)了焦點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該超構(gòu)元件可在3.7至33.2毫米范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)焦距，同時(shí)實(shí)現(xiàn)橫向焦點(diǎn)的靈活調(diào)整，動(dòng)態(tài)眼動(dòng)范圍達(dá)到4.2至5.8毫米。

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圖2.超構(gòu)元件的相位設(shè)計(jì)及器件表征

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圖3.三維可變焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能表征

在實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)成功將該超構(gòu)元件集成到AR顯示系統(tǒng)中。通過(guò)調(diào)節(jié)超表面的旋轉(zhuǎn)角度，系統(tǒng)可以將虛擬圖像精確聚焦在不同深度的真實(shí)物體平面上，有效解決了傳統(tǒng)AR顯示中的調(diào)節(jié)輻輳沖突問(wèn)題。

同時(shí)，該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)虛擬圖像在橫向平面的自由移動(dòng)，大大提升了顯示系統(tǒng)的眼動(dòng)范圍。與傳統(tǒng)的機(jī)械控制或液晶全息元件相比，該方案不僅結(jié)構(gòu)更加輕薄簡(jiǎn)潔，而且可以在LED等普通光源照明條件下正常工作，更適合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。這些特性使得該超構(gòu)元件在下一代AR顯示技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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圖4.超構(gòu)元件在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用展示

相關(guān)研究成果以“用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的三維變焦超透鏡設(shè)備”（Three-Dimensional Varifocal Meta-device for Augmented Reality Display）為題，于3月10日發(fā)表于《光子X(jué)》（PhotoniX），并被遴選為當(dāng)期封面。

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)碩士生宋昱舟與南加州大學(xué)電氣工程系博士生袁家琪為論文共同第一作者，耿子涵、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教授肖淑敏、香港城市大學(xué)助理教授陳沐谷為論文共同通訊作者。

研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、鵬城實(shí)驗(yàn)室重大專(zhuān)項(xiàng)、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)研究基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)、中國(guó)香港特別行政區(qū)研究資助局及香港城市大學(xué)科研基金等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1186/s43074-025-00164-9