生成五分钟，讲述下面的原理，并有配音和动画。北京理工大学程德文团队开发自由曲面光学系统，结合超表面透镜（如双层超透镜），目标实现“毫米级厚度、50克以内重量”的VR设备，提升视场角与畸变控制能力。北京理工大学程德文团队开发的自由曲面光学系统结合超表面透镜，其原理主要基于自由曲面的特殊面型和超表面透镜的波前控制特性，具体如下： - 自由曲面光学原理：自由曲面是指表面在光学直径内外缺乏对称轴的透镜和镜子。其面型更加灵活，具有很强的面型描述能力与像差校正能力，特别适用于校正光学系统的像差，尤其是非对称系统。对于VR设备，自由曲面可通过少量反射面修正像差，带来众多光路折叠可能，有助于实现更轻、更紧凑的光学设备，满足VR设备轻薄化需求，同时可针对人眼视场上下左右不对称的特点进行优化。 - 超表面透镜原理：超表面透镜利用介电表面上的亚波长“超原子”图案来控制入射光。“超原子”是微小的纳米级结构，具有不同形状和大小，其在透镜上的位置是任意的。通过改变入射光束的相位分布，超表面透镜可导致光束弯曲或重定向，从而实现对光的调控。 - 二者结合原理：在VR设备中，单纯的自由曲面光合路器在围绕头部弯曲以符合眼镜格式时，无法将所有光都指向眼睛。而超表面透镜可与自由曲面结合，通过与亚波长结构的光相互作用来进一步实现波前控制，基于广义斯涅尔定律的亚波长特性对平面的反射和折射特性进行调制，从而从四面八方收集进入VR目镜的可见光，并将其直接重定向到人眼，进而提升视场角与畸变控制能力，同时有助于实现VR设备的轻薄化目标。

视频信息

答案文本 复制

视频字幕 复制

大家好！我们都知道，VR虚拟现实技术正变得越来越普及，但目前的VR设备往往体积庞大、重量不轻，长时间佩戴不够舒适，而且视场角和画面畸变也还有提升空间。如何让VR眼镜变得像普通眼镜一样轻薄，同时提供沉浸式的视觉体验？这是光学领域面临的一大挑战。今天，我们要介绍的是北京理工大学程德文教授团队在这方面取得的突破性进展：他们开发了一种结合自由曲面光学系统和超表面透镜的新型VR光学方案。他们的目标是实现毫米级厚度、50克以内重量的VR设备，同时显著提升视场角并优化畸变控制能力。 首先，我们来了解一下自由曲面光学。什么是自由曲面？简单来说，它不像传统的球面或非球面透镜那样具有旋转对称轴，它的表面形状可以非常灵活、非常自由。这种灵活性带来了强大的能力。第一，它具有极强的像差校正能力，尤其擅长处理非对称光学系统中的像差。在VR设备中，光路需要弯折以适应头部形状，系统本身就是非对称的，自由曲面在这里大显身手。第二，自由曲面可以通过少量反射面实现复杂的光路折叠。想象一下，光线在狭小的空间里多次反射，就像走迷宫一样，这有助于大幅压缩光学系统的体积和厚度。对于VR设备而言，自由曲面不仅能帮助实现轻薄化，还能针对人眼视场上下左右不对称的特点进行优化设计，让画面更贴合人眼的自然感知。 接下来是超表面透镜，这是一项更前沿的技术。超表面透镜是一种非常薄的光学元件，它不是通过材料的厚度来弯曲光线，而是利用其表面上微小的、亚波长尺度的纳米结构来控制光。这些纳米结构被称为超原子，它们可以是不同形状和大小的微小柱子、鳍片等，排布在透镜表面。当光线穿过或反射到这些超表面时，会与超原子发生相互作用，这些超原子能够精确地调控光波的相位分布。通过巧妙设计这些超原子的形状和排布，超表面透镜可以像传统透镜一样实现对光的聚焦、偏转等操作，但其厚度可以做到微米甚至纳米级别，非常非常薄。 那么，为什么要把自由曲面和超表面透镜结合起来呢？在VR设备中，如果仅仅使用自由曲面来折叠光路并使其弯曲以适应眼镜的紧凑外形，可能会出现一个问题：难以将所有角度的光线都精确地导向人眼的瞳孔。尤其是在追求大视场角时，这个问题更突出。这时，超表面透镜就派上了用场。它可以与自由曲面结合，例如放置在自由曲面反射镜的表面上，或者作为独立的元件。超表面利用其亚波长结构对光波进行更精细的控制。它基于广义斯涅尔定律，能够对光线的反射和折射特性进行精确调制。这样一来，这个组合系统就能有效地从四面八方收集进入VR目镜的可见光，并通过自由曲面的折叠和超表面的精细调控，将这些光线精确地重定向到人眼瞳孔。这种结合不仅能进一步提升视场角，还能更有效地校正畸变，同时完美契合了VR设备轻薄化的目标。 总而言之，北京理工大学程德文团队的这项研究，通过巧妙结合自由曲面灵活的光路折叠和像差校正能力，以及超表面透镜强大的亚波长波前控制能力，为实现下一代轻薄、高性能的VR设备提供了关键技术支撑。毫米级的厚度、克级的重量，更宽广的视场和更真实的画面，这些都离不开光学技术的创新。这项技术有望彻底改变我们对VR设备的认知，让虚拟世界触手可及，更加舒适自然。