封 面 文 章 | Zhang SF, Gao LN, Zhao YD et al. Integrated metasurface-freeform system enable d mult i-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。

研究团队简介

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。

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