尽管消费者技术在过去数十年间取得了长足的进步，但有一个元器件领域依然是令人沮丧地停滞不前：光学透镜。与体积不断缩小、效率不断提升的电子设备不同，今天光学透镜的设计和基本物理在大约3000年里的历史里并没有发生太大变化。

　　这一挑战已成为下一代光学系统发展的瓶颈，比如说虚拟现实。显然，下一代光学系统需要结构紧凑、重量轻且具有成本效益的元器件。

　　在哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院，由费德里科·卡帕索（Federico Capasso）领导的团队一直在探索下一代的透镜组件。通过利用纳米结构聚焦光的简单平面表面来取代笨重的曲面透镜，研究人员有望打开这一瓶颈。

　　在2018年，卡帕索的团队开发出了一种消色差、无像差的超透镜，其可以覆盖整个可见光光谱。但由于直径只有几十微米，这对于虚拟现实和增强现实系统而言太小。

　　现在，研究人员已经开发一种两毫米的消色差超透镜，它可以聚焦RGB（红、蓝、绿）而不产生像差。另外，团队同时开发了一种用于虚拟现实和增强现实的小型化显示器。

　　AR成像结果采用全彩色近眼光纤扫描显示，可看到漂浮在真实场景中的RGB彩色虚拟图像（上图）。

　　相关论文已经发表在期刊《Science Advances》。

　　卡帕索表示：“这种先进的透镜为新型虚拟现实平台开辟了一条道路，并克服了阻碍新型光学设备发展的瓶颈。”

　　团队表示：“利用新的物理和新的设计原理，我们开发了一种平面透镜来取代当今光学设备的笨重透镜。这是迄今为止尺寸最大的RGB消色差超透镜，并证明了这种透镜可以放大到厘米级别，实现批量生产，并集成到商业平台之中。”

　　像以前的超透镜一样，这种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。通过工程设计这种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。为了将这种透镜整合到虚拟现实系统中，研究小组使用了一种名为光线扫描的方法来开发近眼显示器。

　　在2英寸玻璃晶圆制造的超透镜和通过压电管的扫描光纤。光纤尖端位于超透镜的焦距内。光线沿着光纤传输并从扫描光纤尖端发出，在扫描光纤尖端形成显示图案（上图）。

　　这种显示器的设计灵感来自基于光纤扫描的内窥镜生物成像技术。它使用穿过压电管的光线。当一个电压被施加到电子管时，光纤尖端会左右上下扫描显示图案，并形成一个小型化的显示器。这种显示器具有高分辨率、高亮度、高动态范围和宽色域等特点。

　　在VR或AR平台中，超透镜将直接位于眼睛前面，而显示器则位于超透镜的焦平面内。显示器扫描的图案会在超透镜的帮助下聚焦到视网膜，并在那里形成虚拟图像。

　　研究人员表示：“我们已经展示了超透镜光学平台是如何帮助解决当前虚拟现实技术的瓶颈，以及在我们日常生活中使用的潜能。”

　　团队接下来的目标是进一步扩展透镜，使其与当前大规模制造技术兼容，从而实现低成本量产。　　

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