Metalens阵列实现下一代真3D近眼显示

以超构透镜阵列和微显示器为主要元件的meta-II NED的三维增强现实效果。虚拟三维图像被重建以与棋子一致。致谢: Zhi-Bin Fan, Yun-Fan Cheng, Ze-Ming Chen, Xia Liu, Wen-Long Lu, Shi-Hao Li, Shao-Ji Jiang, Zong Qin, Jian-Wen Dong

集成成像显示器(integrated imaging, II)由于其体积小巧、全视差、方便的全彩显示，更重要的是，通过消除收敛调节冲突(vergenence -accommodation conflict, VAC)，实现真正的3d和更真实的深度感知，是最有前途的近眼显示器(NEDs)之一。然而，基于传统光学结构(如微透镜阵列)的II显示器在分辨率、视场、景深等方面受到限制。

随着微显示器的像素密度越来越高，传统的光学结构在像素级光操作方面已经不足。元光学具有突破这些瓶颈的潜力，它在单片器件的像素级光操纵方面具有前所未有的灵活性。Meta-II显示器有望通过创造更多沉浸式体验，向下一代虚拟现实(VR)和增强现实(AR)迈出一大步。

然而，在meta-II显示成为NED领域的主流之前，还需要克服一些挑战。

其中一个挑战是，由于大面积高精度纳米加工技术的不发达，超透镜阵列(meta-II显示器的关键部件)太小，无法匹配商用高分辨率微显示器及其终端。

另一个挑战是，对于高分辨率可穿戴ned来说，渲染的计算成本很高，因为元素图像阵列(EIA)，即输入到meta-II显示器的信号，必须针对每个视点进行计算，因此需要gpu来加速。

幸运的是，纳米制造和II算法的最新进展为实际的meta-II显示打开了可能性。随着这些挑战的克服，meta-II显示器有望推动VR/AR显示器的发展。它们可以彻底改变人们与这些技术的互动方式，并最终成为VR和AR显示的标准。在《eLight》杂志上发表的一篇新论文中，由中山大学Jian-Wen Dong 教授和Zong Qin教授领导的科学家团队创建了一种新颖的真3d技术架构，称为meta-II NED，首次实现了meta光学和II显示在NED实际应用中的结合。

(a)以数字“3”和棋子“Rook”为焦点拍摄的图像，右边红框放大了细节。(b)通过聚焦字母“D”和棋子“Pawn”拍摄的图像。致谢: Zhi-Bin Fan, Yun-Fan Cheng, Ze-Ming Chen, Xia Liu, Wen-Long Lu, Shi-Hao Li, Shao-Ji Jiang, Zong Qin, Jian-Wen Dong

meta-II NED结合了商用高像素密度微显示器和大面积超透镜阵列。该超构透镜阵列以高折射率纳米压印胶为材料，采用高精度大面积纳米压印技术制备，最小特征尺寸约为100 nm，最大纳米结构高度约为500 nm。

与电子束光刻技术相比，纳米压印技术可以快速复制许多超透镜阵列样品，特别是大面积样品。

这种低成本、大面积的纳米压印制造工艺使得超构透镜阵列的大规模生产成为可能。为了匹配这种方便的meta-II NED架构，我们开发了一种新的实时渲染方法，利用不变体素-像素映射，快速生成平均帧率为67 FPS的EIA。

通过单眼聚焦线索和运动视差实验验证了真实的3d显示效果。meta-II NED模块通过将3D图像与周围物体合并实现了透视效果，显示了meta-II显示在AR领域的更广泛潜力。