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11
2025
-
04
Light | 超表面技术突破AR显示色差瓶颈
作者：
图1：超表面光波导AR显示系统示意图
导读
增强现实（AR）技术正深刻改变我们与数字世界的互动方式，并与人工智能（AI）技术深度融合，推动智能人机交互进入全新时代。从工业制造到智慧医疗，再到教育培训，AR与AI的结合正重新定义各行各业的工作模式，展现出极为广阔的应用前景。要实现这一智能化体验，显示系统的性能至关重要，清晰、自然的全彩显示是确保信息精准传递的关键所在。
近日，南方科技大学孙小卫教授团队在Light: Science & Applications上发表了重要研究成果，提出了一种创新的超表面光波导技术，首次从根本上解决了AR显示中的色差问题。该技术突破了传统耦合器件的色差瓶颈，为全彩光波导显示提供了新的技术路径。
该研究成果以“An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays”为题发表。南方科技大学为第一完成单位，鹏城实验室为第二完成单位。孙小卫教授为通讯作者，田仲韬博士研究生为第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目等资助。
AR显示的色差困境
在AR技术的发展历程中，显示系统一直在追求"更清晰"与"更轻薄"的统一。从最初的反射镜显示到前沿的光波导显示，每一次技术更迭都在朝着这一目标迈进。衍射光波导凭借其超薄特性，已成为HoloLens、Meta Orion等AR设备的核心技术。然而，这种方案也面临着一个关键挑战——色散效应导致的图像失真。
就像阳光通过三棱镜会分散成彩虹一样，当不同颜色的光线通过衍射光波导时，会发生不同程度的偏转。这种色散效应不仅限制了显示系统的视场范围，还严重影响了图像的色彩还原度。尤其在视场边缘区域，色彩失真问题更加明显。
图2：传统光波导与超表面光波导的对比。（a）传统光波导通过一阶衍射将光耦合到光波导中，导致波长依赖的偏转角度；（b）传统光波导的K矢量图，重叠的全彩视场角较小；（c）超表面光波导通过高阶衍射实现无色差的光耦合；（d）超表面光波导的K矢量图，具有更大的全彩视场角
为解决色差问题，业界主要采用三层光波导分别处理红绿蓝三色光。这种方案虽然在理论上可行，但带来了系统厚重、制造难度大、对准复杂等新挑战。更重要的是，即使采用多层结构，色彩均匀性问题依旧难以根本解决。如何在色彩均匀性、系统轻薄性和视场角之间找到最佳平衡点，成为了亟待解决的核心难题。
超表面技术的创新突破
南方科技大学的团队提出了一种全新的解决方案：利用逆向设计的超表面耦合器和单层高折射率光波导，成功解决了色差问题。超表面是一种由人工纳米结构组成的光学元件，能够精确调控光的相位、振幅和偏振。研究团队通过逆向设计方法，优化了超表面耦合器的几何结构，使其在RGB波长范围内实现高度一致的耦合效率。
具体而言，超表面耦合器通过不同的衍射阶数（4阶、5阶和6阶）分别处理红、绿、蓝三原色，从根本上确保不同波长的光线在出射时保持一致的偏转角度，从而消除了色差并显著提升了颜色均匀性。相比传统的多层波导结构，单层设计不仅显著简化了制造工艺，还提高了系统的整体性能。
图3：AR全彩显示效果
展望：开启AR显示新时代
这一突破性研究为AR显示技术开辟了新的发展方向。超表面波导技术不仅有效解决了色差问题，还具备多项优势：单层结构降低了制造难度，高折射率设计扩展了视场角，优化的耦合效率保障了全彩显示效果。这些特点使其在下一代AR设备中展现出广阔的应用前景，预示着AR显示技术将迈入一个崭新的时代。
论文信息
Tian, Z., Zhu, X., Surman, P.A. et al. An achromatic metasurface waveguide for augmented reality displays. Light Sci Appl 14, 94 (2025).
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