OES封面 | 集成超表面与自由曲面的多焦面增强现实显示系统【北京理工大学王涌天教授、黄玲玲教授及其联合团队】

Opto-Electronic Science

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北京理工大学王涌天教授、黄玲玲教授、杨通副教授及其团队，联合北京耐德佳显示技术有限公司、中国科学院物理研究所，以及新加坡国立大学的研发人员，集成了非正交偏振复用超表面、自由曲面光学元件和OLED显示屏，提出了一种多焦平面AR显示系统的新架构，为下一代高性能AR显示设备的发展提供了创新的技术方案。

封面文章 | Zhang SF, Gao LN, Zhao YD et al. Integrated metasurface-freeform system enabled multi-focal planes augmented reality display. Opto-Electron Sci 5, 250031 (2026). 

第一作者：张时飞、高丽娜

通信作者：黄玲玲、杨通、王涌天

研究背景

在人工智能的推动下，增强现实(AR)显示正在经历从实验室研究到商业应用的跨越式发展，有望孕育出下一代移动终端的全新形态，并开启智能感知与空间计算的新纪元。然而，目前实时AR显示技术多聚焦于单焦平面显示方案，易引发辐辏调节冲突问题，从而导致用户在长期佩戴过程中产生眩晕症状。为解决这一问题，多焦面AR显示技术应运而生，该技术通过生成多个离散或连续的虚像面，模拟真实物体的深度信息，成为提升用户体验的关键技术路径。尽管如此，现有的光学解决方案仍然难以同时满足多焦面显示、紧凑体积、轻重量和低成本等多重需求。为了实现三维(3D)数字场景与真实物理场景的自然融合，还需要探索新型光学材料、创新的光学系统设计方案以及全新的技术路径。

本文亮点

针对上述挑战，北京理工大学王涌天教授、黄玲玲教授、杨通副教授及其团队，联合北京耐德佳显示技术有限公司、中国科学院物理研究所，以及新加坡国立大学的研发人员，集成了非正交偏振复用超表面、自由曲面光学元件和OLED显示屏，提出了一种多焦平面AR显示系统的新架构，该工作以“Integrated metasurface-freeform system enabled multi-focal planes augmented reality display”为题发表在Opto-Electronic Science 2026年第1期，并被选为封面文章。

在该工作中，多焦平面AR视觉效果通过非正交偏振复用的超表面实现，该超表面可在不同的偏振通道上执行不同的相位调制功能。同时，自由曲面为系统提供了充分的设计自由度，基于光线追迹与衍射理论的联合优化设计方法，协同优化了多焦平面成像与透视路径，在保证系统轻薄紧凑的前提下，在各焦面实现了良好的显示效果，且系统畸变得到良好控制。

研究团队成功研制了尺寸为9.3 cm×4.5 cm×4.9 cm的固态AR原型系统，具备出色的紧凑性。实验结果显示，该系统可在0.7 m、1.5 m和3.0 m三个独立焦平面上同时呈现清晰的数字图像，并能与真实环境实现无缝融合。当观察焦点调整至特定深度时，对应焦平面的图像保持清晰，其余焦平面图像则呈现自然的离焦效果，实现了逼真的三维视觉体验。该系统所具备的紧凑性、高帧率、纯固态和真三维显示能力，使其在面向未来的移动智能终端、沉浸式交互、工业可视化等应用场景中展现出巨大的潜力，为下一代高性能AR显示设备的发展提供了创新的技术方案。

图1  集成超表面和自由曲面的实时多焦面AR显示系统示意图。(a)系统集成了显示屏、超表面和自由曲面透镜；(b) 所设计系统的折反射式birdbath结构；(c)偏振复用超表面生成多焦平面的原理；(d)多焦面AR显示在城市导航中的应用

图2 多焦面AR显示功能验证，真实场景与数字场景均支持实时变换

该工作得到了国家自然科学基金项目(U21A20140)、国家重点研发计划(2021YFA1401200)、北京市自然科学基金(JQ24028)、北京市新星计划(20240484557)以及综合极端条件实验装置(SECUF)的支持。

研究团队介绍

黄玲玲 教授

国家级青年人才，入选教育部U40、北京市卓青、北京市杰青、中国科协青年人才托举等，入选美国光学学会会士(Optica Fellow)。主要研究方向包括 微纳光学、全息显示、光场调控等方面，主持十余项国家级项目，以第一或通讯作者发表SCI论文125篇。担任Opto-Electronic Advances、Optics Express、IEEE Photonics Technology Letters等期刊副主编和编委。获教育部青年科学奖、德国洪堡贝塞尔研究奖、茅以升-北京青年科技奖等。

杨通 副教授

长期在光学设计领域从事教学科研工作。发表论文80余篇，获授权发明专利40余项。入选北京市科技新星、中国科协青托。曾获得中国光学工程学会科技进步一等奖和技术发明一等奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖等奖励。

王涌天 教授

北京理工大学杰出教授，国家级领军人才、教育部创新团队带头人，SPIE/IET/Optica/COS/CIS会士。长期在技术光学和虚拟现实领域从事教学和科研工作，获国家技术发明奖、科技进步奖各1项。承担国家973项目，863项目，国家自然科学基金重大科研仪器研制等项目。发表专著4部、SCI论文320余篇，授权发明专利180余项，主持/组织制定首批国家标准6项。