AR光学方案新秀：共形超表面（Metaform） 光学

左图:在增强现实显示器中应用metaform组合器的一个例子；

右图:metaform概念说明,显示了一个以自由曲面为基底的共形超表面

    现代消费类设备的技术要求，如用于增强和虚拟现实（AR/VR）的显示器和移动相机，超过了传统光学器件的性能。对设备的紧凑性、图像质量和重量的挑战性要求，使得发现和实现新的光学元件和架构成为必要。在今年发表的工作中1,2， Daniel K.Nikolov等研究人员开发了从设计到制造的过程，结合这些技术来构建一个新的光学元件—metaform。

    自由曲面光学的表面是非旋转对称的表面（在光学部件内部或外部）3。自由曲面光学是最近光学设计革命的基石1。节点像差理论的发展也为自由曲面光学提供了新的设计框架4。这种方法，加上制造和测试方面的进展，使自由曲面光学成为光学设备小型化的可行技术3。

    自由曲面光学根据自由曲面的固有弯曲形状来控制光线，而超表面则通过光线与固定在平面上的亚波长结构的相互作用来实现光线控制。迄今为止，各种光学元件，如透镜、偏振镜和衍射光栅，都已经利用平面化的超表面实现了2。

    最近， Daniel K.Nikolov等研究人员实现了一种新的光学元件，他们称之为metaform5 。Metaform由一个整合成弯曲的自由曲面基板的超表面组成。他们在之前开发的自由曲面设计框架的基础上，利用了自由曲面光学和超表面的成像优势。他们还开发了一种增强的电子束光刻工艺（通常只用于平坦的基底），使metaform的制造成为可能。

    为了展示metaform光学的应用， Daniel K.Nikolov等研究人员选择了一个受AR显示需求启发的应用场景。基于自由空间组合的AR显示器的一个共同挑战是不理想的形状因素，即组合镜向用户的脸部倾斜，形成一个 "虫眼 "的外观。使用metaform镜作为组合器解决了这个问题，它利用超表面来倾斜图像，而不需要倾斜metaform本身。此外，根据所开发的像差理论和设计框架，metaform的成像功能可以在自由曲面基底和超表面之间分配。由此产生的设备是一个微型成像器，具有理想的外形尺寸，可以装入典型的太阳镜。

    Daniel K.Nikolov等研究人员相信，metaform光学会成为一种可行的技术，用于更紧凑的AR/VR眼镜。

    研究人员

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

    参考文献

    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).

    本文由珑璟光电翻译

    原文链接：

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