增强现实（Augmented Reality, AR）显示技术因其能够将真实与虚拟世界无缝融合而备受关注。然而，目前AR显示技术仍面临诸多挑战，例如调节辐辏冲突（vergence-accommodation conflict, VAC）以及有限的眼动范围（eyebox）问题。为克服这些问题，AR领域亟需开发轻便、集成化且能够动态调控焦距的光学元件。尤其是眼动范围的大小直接决定了用户在观看近眼显示器内容时，眼睛可自由活动而不发生暗影（vignetting）的空间区域。更大的眼动范围意味着用户瞳孔位置可有更大的容错空间，从而获得更加舒适、连续的视觉体验。目前主流的焦点动态控制或瞳孔追踪技术大多依赖于机械运动部件或多层液晶全息元件，这导致系统体积庞大、结构复杂。因此，开发轻巧、紧凑且可实现三维空间动态调焦的光学元件对于推动下一代AR显示技术发展至关重要。
图1 三维可变焦超构元件操控焦点位置和显示的示意图。左下插图为特定相对旋转角度下三个超表面的合成聚焦相位。
为解决上述问题，清华大学耿子涵教授团队、香港城市大学电机工程系陈沐谷教授团队以及哈尔滨工业大学（深圳）肖淑敏教授团队联合提出了一种三维可变焦超构（meta-device）装置。该装置由三个级联的超表面组成，利用莫尔（Moiré）理论及离轴菲涅耳透镜（off-center Fresnel lens）相位轮廓设计，实现了三维空间内焦点位置的动态调控。超表面的单元为不同直径的二氧化钛（TiO₂）纳米柱，具有不敏感于偏振的光场调控能力。通过相对旋转三个超表面，可以连续、精确地调整焦点在纵向（z轴方向）和横向（x-y平面）的三维空间位置。实验表明，该超构元件的有效焦距范围为3.7 mm至33.2 mm，横向焦点也可在同等范围内灵活调整，动态眼动范围尺寸达到4.2 mm至5.8 mm。该轻便集成化的超构装置适用于包括AR显示在内的多种成像应用，有望同时解决AR显示的VAC问题并扩大眼动范围。相关研究成果以“Three-Dimensional Varifocal Meta-device for Augmented Reality Display”为题发表在首期影响因子19.8，光学类排名第四的顶刊《PhotoniX》上。
图2 超构元件的相位设计及器件表征。
超构元件由三个级联的超表面组成，具体相位设计如图2a所示。三个超表面分别被定义为超表面1、超表面2和超表面3，利用莫尔理论能够通过相对旋转角度精确控制焦点位置。实验采用电子束光刻和刻蚀工艺在SiO₂基底上制备了直径为1 mm的TiO₂纳米柱阵列，其单元周期为300 nm，高度为800 nm。图2b展示了超表面纳米结构的扫描电子显微镜（SEM）图像，图2c-e分别为三个超表面的光学显微图像。
图3 三维可变焦实验结果及性能表征。
实验验证了超构元件在三维空间内操控焦点的能力。图3a中红点和绿线分别表示实验测得的焦距和理论焦距曲线，蓝色点表示器件的光学效率（平均14.2%）。通过旋转超表面3，相位轮廓发生变化，焦点可沿纵向(z轴)位置连续变化。如图3b所示，焦距越短，聚焦越锐利且景深越浅；焦距越长，聚焦变柔和且景深增加。此外，实验还展示了器件在横向（xy平面）调整焦点位置的能力（图3c），实现了焦点最大横向偏移角度达1.6°，动态眼动范围尺寸为4.2 mm至5.8 mm。
图4 超构元件在增强现实显示系统中的应用展示。
进一步，研究团队搭建了一个AR显示光学系统，将所提出的超构元件集成于其中，用于动态调节虚拟物体显示深度及扩大眼动范围。如图4a所示，通过调整超表面旋转角度，可将虚拟物体（红色虚线所示“笑脸”）精确聚焦于不同纵深位置上的真实物体（“巴赫”和“贝多芬”雕像）所在面。图4b展示了将虚拟物体（“太阳”）在横向平面自由移动至不同位置的能力，验证了器件在扩大眼动范围、实现瞳孔追踪方面的潜力。相较于传统方法，这种方法结构更加轻薄简洁，且未发现明显像差，适用于实际环境中的LED光源照明条件。
清华大学硕士研究生宋昱舟、袁家琪为本文共同第一作者，肖淑敏教授、陈沐谷教授、耿子涵教授为本文共同通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、鹏城实验室重大专项、深圳市基础研究重点项目、国家自然科学基金、广东省基础研究基金、深圳市科技创新委员会、中国香港特别行政区研究资助局及香港城市大学科研基金的联合资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s43074-025-00164-9
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