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传统的VR头显为了实现大视场角和良好的成像质量，通常需要使用多片厚重的球面或非球面透镜组，导致设备体积大、重量重，严重影响用户的佩戴体验。北京理工大学程德文团队通过结合自由曲面光学系统和超表面透镜技术，目标实现毫米级厚度、50克以内重量的超薄VR设备。
自由曲面光学表面没有旋转对称性约束，其形状可以根据设计需求进行更复杂的优化。相比传统的球面或非球面透镜，自由曲面提供了更多的设计自由度，可以在更短的光程内实现复杂的光线偏折和像差校正，从而有助于减小系统体积和厚度，同时优化视场角和畸变控制能力。
超表面透镜是一种基于纳米结构阵列的平面光学元件。它通过精确设计这些纳米结构，来调控通过光束的相位、振幅和偏振，从而实现传统透镜的聚焦功能。超透镜的优点是极其轻薄，厚度在纳米到微米量级，可以显著减轻光学系统的重量和厚度。双层超透镜相比单层超透镜，提供了更多的设计自由度，有助于实现更宽波段的消色差或更复杂的像差控制。
该团队的创新在于将自由曲面设计与超透镜技术相结合。自由曲面用于构建系统的整体框架和实现大角度的光线偏折，处理主要的像差；而双层超透镜则作为系统中的关键元件，替代部分传统透镜的功能，负责精细的相位调控和像差校正。通过这种结合，自由曲面的紧凑设计能力与超透镜的极致轻薄特性相叠加，使得整个VR光学系统的厚度可以压缩到毫米级别，重量控制在50克以内。
通过自由曲面和超透镜技术的协同工作，确保了在实现大视场角的同时，有效控制畸变和其他像差，提供清晰、沉浸的视觉体验。这一技术突破不仅能够推动VR设备的普及化，还将在增强现实、混合现实、工业设计、医疗训练等多个领域产生深远影响，开创了光学系统设计的新范式。