儘管過去幾十年來消費技術取得了各種進步，但有一個元件仍然令人沮喪地停滯不前：光學透鏡。與多年來越來越小、效率更高的電子裝置不同，當今光學鏡頭的設計和底層物理在大約3000年裡沒有太大變化。

這一挑戰在下一代光學系統（如虛擬現實可穿戴顯示器）的開發中造成了瓶頸，這些系統需要緊湊、輕量級和具有成本效益的元件。

在哈佛約翰·A。保爾森工程和應用科學學院（SEAS），由費德里科·卡帕索領導的研究人員團隊，羅伯特·L·L·華萊士應用物理學教授和文頓·海耶斯電氣工程高階研究員一直在開發下一代透鏡，該透鏡有望透過用使用奈米結構聚焦光線的簡單平坦表面取代笨重的彎曲透鏡來打破瓶頸。

2018年，卡帕索的團隊開發了無色差、無像差的金屬感應鏡頭，適用於整個可見光譜。但這些鏡頭直徑只有幾十微米，太小，不適合在虛擬現實和增強現實系統中實際使用。

現在，研究人員開發了一種兩毫米的消色差金屬感應鏡頭，可以聚焦RGB（紅色、藍色、綠色）顏色，沒有像差，並開發了一種用於虛擬和增強現實應用的小型化顯示器。這項研究發表在《科學進步》上。

論文資深作者卡帕索說，這種最先進的鏡頭為新型虛擬現實平臺開闢了道路，並克服了阻礙新光學裝置進展的瓶頸。

SEAS博士後研究員、論文第一作者李兆義說，我們利用新的物理學和新的設計原理，開發了一種平面透鏡來取代當今光學裝置的笨重透鏡。這是迄今為止最大的RGB-無色金屬，也是這些鏡頭可以放大到釐米大小、批次生產並整合到商業平臺的概念的證明。

與之前的金屬感應鏡頭一樣，該透鏡使用陣列的二氧化鈦奈米鰭片來平均聚焦光的波長並消除色差。透過對這些奈米陣列的形狀和圖案進行工程，研究人員可以控制紅色、綠色和藍色光的焦距。為了將鏡頭整合到虛擬現實系統中，團隊使用一種稱為光纖掃描的方法開發了近眼顯示器。

該顯示器的靈感來自基於光纖掃描的內窺鏡生物成像技術，透過壓電管使用光纖。當電壓施加到管子上時，光纖尖端左右掃描，上下掃描以顯示圖案，形成小型化顯示。顯示器具有高解析度、高亮度、高動態範圍和寬色域。在VR或AR平臺上，金屬將直接坐在眼睛前面，顯示器將位於金屬的焦平面內。顯示器掃描的圖案集中在視網膜上，虛擬影象在金屬的幫助下形成。在人眼看來，影象在AR模式下作為景觀的一部分出現，與我們的實際眼睛相距。

李說，我們已經展示了元光學平臺如何幫助解決當前虛擬現實技術的瓶頸，並可能用於我們的日常生活。

接下來，團隊的目標是進一步擴大鏡頭規模，使其與當前以低成本大規模生產製造技術相容。