Integral imaging (II)-skärm är en av de mest lovande near-eye-skärmarna (NED) på grund av dess kompakta volym, full parallax, bekväma fullfärgsskärm och, ännu viktigare, äkta 3D och mer realistisk djupuppfattning från att eliminera vergens-boende konflikt (VAC). Däremot är II-skärmar baserade på den konventionella optiska arkitekturen, såsom mikrolinsarrayer, begränsade i upplösning, synfält, skärpedjup, etc.
Eftersom mikroskärmar har allt högre pixeltätheter är konventionell optisk arkitektur otillräcklig för ljusmanipulering på pixelnivå. Meta-optik har potential att bryta igenom dessa flaskhalsar med sin oöverträffade flexibilitet i pixelnivå ljusmanipulation av en monolitisk enhet. Meta-II-skärm förväntas vara ett stort steg mot nästa generations virtuell verklighet (VR) och förstärkt verklighet (AR) genom att skapa mer uppslukande upplevelser.
Vissa utmaningar måste dock övervinnas innan meta-II-skärmen kan bli mainstream inom NED-området.
En utmaning är att metalens-arrayen, den kritiska komponenten i en meta-II-skärm, är för liten för att matcha kommersiella högupplösta mikroskärmar och deras evighet på grund av underutvecklingen av nanotillverkningsteknik för stora ytor med högre precision.
En annan utmaning är att renderingen är beräkningsmässigt dyr för högupplösta bärbara NED:er eftersom elemental image array (EIA), signalinmatningen till meta-II-skärmen, måste beräknas för varje synvinkel och därför behöver GPU:er för att accelerera.
Lyckligtvis öppnar de senaste framstegen inom nanotillverkning och II-algoritmer möjligheten till praktiska meta-II-skärmar. Meta-II-skärmarna förväntas avancera VR/AR-skärmar när dessa utmaningar övervinns. De kan revolutionera hur människor interagerar med dessa tekniker och så småningom bli standarden för VR- och AR-skärmar.
I en ny tidning publicerad i eLight , skapade ett team av forskare under ledning av professor Jian-Wen Dong och Zong Qin från Sun Yat-sen University en ny teknisk 3D-arkitektur kallad meta-II NED, för att först uppnå kombinationen av meta-optik och II-skärmar för praktisk tillämpning av NED.
Meta-II NED kombinerar en kommersiell mikroskärm med hög pixeldensitet och en metallenarray med stor yta. Metalens-arrayen, med en minimistorlek på cirka 100 nm och en maximal nanostrukturhöjd på cirka 500 nm, är gjord av nanoimprint-lim med högt brytningsindex och tillverkad med hjälp av högprecisionsteknik för storarea nanoimprint.
Jämfört med elektronstrålelitografi kan nanoimprint-teknologi snabbt replikera många metalens-arrayprover, särskilt storareaprover.
Den billiga tillverkningsprocessen för nanoavtryck med stor yta gör metallens arrays möjliga för massproduktion. För att matcha denna bekväma meta-II NED-arkitektur utvecklades en ny realtidsrenderingsmetod för att snabbt generera EIA med en genomsnittlig bildhastighet på 67 FPS genom att utnyttja den invarianta voxel-pixel-mappningen.
True-3D-visning verifierades experimentellt genom monokulära fokussignaler och rörelseparallaxer. En genomskinlig effekt av meta-II NED-modulen realiserades genom att slå samman 3D-bilder med omgivande objekt, vilket visar den bredare potentialen hos meta-II-displayen för AR.
Forskargruppen har banat väg för utvecklingen av äkta 3D NED med en kombination av meta-optik och II-skärmar. Observera att designflexibiliteten hos metalens-arrayer är lovande för nästa generations NED:er när det gäller flera långvariga problem i konventionella II-arkitekturer. Till exempel är utökat skärpedjup avgörande för att NED-enheter i sann 3D ska kunna presentera bilder från personutrymmet till vyutrymmet, medan mikrolinsarrayen inducerar ett mycket begränsat skärpedjup.
Däremot kan en metalens-array enkelt utformas som ett polarisationsmultiplexeringselement med varierande brännvidder för att tillåta skärpedjupförlängning. Dessutom ger meta-II-arkitekturen en lovande lösning för att öka FOV för vidare studier:friformsfasprofiler som exakt kompenserar för den fältberoende aberrationen hos konventionella mikrolinsarrayer kan registreras i en smal metalens-array.
Ännu viktigare, både utökat skärpedjup och FOV-expanderade meta-II-arkitekturer lider utan kostnad i beräkningskomplexitet och systemvolym jämfört med meta-II som föreslagits ovan. I allmänhet möjliggör metalens-arrayer nästa generations äkta 3D-visningar för nära ögat.
Mer information: Zhi-Bin Fan et al, Integral imaging near-eye 3D display med nanoimprint metalens array, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00055-1
Journalinformation: eLight
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
