突破3D显示器极限
借助超表面透镜自由切换2D与3D
视角拓展至100度
三星电子与POSTECH（浦项工科大学）通过产学合作推进的“基于超表面柱状透镜的2D·3D切换显示器”研究论文，已刊登在世界权威学术期刊《Nature》上。
据三星电子23日消息，“基于超表面柱状透镜的2D·3D切换显示器”是指利用由纳米级微细结构阵列构成的超薄透镜（超表面），可以在平面（2D）与立体（3D）画面之间自由切换的一种显示技术。
超表面与传统曲面透镜相比，在大幅减薄厚度的同时，仍能实现复杂的光学功能，因此在下一代显示器与摄像系统等领域成为研究热点。
该技术能够同时传输来自不同方向的光线，在无需佩戴眼镜的情况下，提供如同观看真实物体般的立体感，是对“光场显示器（Light Field Display）”的一次升级成果。
传统光场显示器虽然作为娱乐、增强现实（AR）、医学影像等多个领域的下一代技术而备受关注，但在通用化应用方面存在诸多限制。这是因为其透镜较厚，3D视角仅约15度，画面分辨率较低，还需要实时确认用户位置的视线追踪器。
研究团队利用光在特定方向上振动传播这一特性——“偏振（Polarization）”来解决这一问题。他们自主设计了一种特殊纳米结构——“超表面柱状透镜（MLL）”，只需改变光的传播方向（偏振），就能改变透镜的焦点。
本次研究首次在全球范围内证明，仅通过在单一设备内部施加电压，就可以在2D与3D模式之间切换的超表面光学系统。今后，在阅读文本或进行一般操作时，可选择“高分辨率2D模式”；在观看视频时，则可选择“支持多视点（Multi-view）的沉浸式3D模式”。
超表面透镜会根据位于显示器前方的“偏振调节器”的状态，自动在凹透镜与凸透镜之间切换，其核心原理如下：当偏振调节器启动时，超表面透镜作为凹透镜工作，与原有凸透镜的效果相互抵消。换言之，凸透镜将光线向内汇聚的力量，与凹透镜将光线向外发散的力量相加后达到“0”的状态，使光线如同穿过平坦玻璃窗一样直线前进。由此可以清晰传递高分辨率二维图像，更适合阅读文本或进行网页搜索等。
相反，在欣赏3D电影时（偏振调节器关闭），超表面透镜会切换为凸透镜，与原有凸透镜共同发挥更强的凸透镜作用，将三维立体效果和视角范围最大化。由此可以同时提供2D的清晰度和3D的立体感。
本次研究尤为引人注目的，是在光学器件厚度和视角方面实现了革命性改进。一般而言，为提高画质和视角，需要使用体积大、厚度高的光学透镜。但研究团队开发的超表面柱状透镜被设计为具有较高的数值孔径（Numerical Aperture），在保持仅1.2毫米（mm）超薄厚度的同时，提供高达100度的超广视角。与原来的15度相比扩大了6倍以上，使3D影像不再是“一个人看”，而是可以多人同时观看。此外，凭借纳米级设计，也被视为突破了传统大体积光学设备的物理极限。
此次研究不仅完成了概念验证，还在接近实际商用化方面具有重要意义。研究团队成功制作出横纵各50毫米、面积为25平方厘米的大面积超表面透镜，并将其应用并验证于当前移动市场主流的有机发光二极管（OLED）显示面板上，进一步提升了技术成熟度。
未来，该技术有望成为从智能手机、平板电脑等电子设备到商用显示系统在内的下一代显示市场中，改变格局的核心解决方案，备受期待。
本次研究由三星电子Samsung Research视觉技术团队与POSTECH纳米尺度光子学与集成制造实验室共同参与完成。
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