AR/VR頭顯，業界正積極探索令設備變得輕巧，同時確保圖像清晰的方式。遺憾的是，這個任務在光學層面面臨著一個關鍵的限制：傳統透鏡是會把不同波長光線聚焦在不同位置的曲面玻璃，從而導致模糊的影像。所以，無論是智能手機攝像頭還是大型投影儀，它們都會采用多透鏡設置。然而，這增加了重量，厚度與復雜度，同時提高了成本。
所以，行業早就把目光投向了超表面（metaSurface），一種厚度小于波長的人工層狀材料，并且可實現對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。
利用超表面（metaSurface）來聚焦光線的平面透鏡則稱為超透鏡（metaLens），它能夠合適地將光譜中的不同顏色光線聚焦在同一點。超透鏡具有超緊湊的優勢，同時能夠在更廣泛的光線范圍內提供更高質量的成像，無需多透鏡設置。
對于超透鏡，社區最關注的領域之一是可切換和有源超透鏡。
通常，有源超透鏡可以實現類似機械可調變焦物鏡的調整。換句話說，除了上面提到的優勢，有源超透鏡同時可以在不采用機械調焦的情況下實現變焦功能。
具體而言，超透鏡的切換依賴于所用材料的光學性質在外部刺激下的變化。其中，相關變化是由溫度、化學或電學驅動，而后者是電光器件最理想的選擇。
然而，大多數當前的有源超透鏡方法都不會對納米天線材料本身進行電切換。事實上，圍繞超透鏡的材料或超透鏡材料本身都是被動調整/改變，從而限制了可實現的切換對比度、功能性和總體設計自由度。
作為對比，使用具有電驅動金屬到絕緣體轉變的智能功能材料制成的納米天線將允許根據需要完全打開或關閉超透鏡，從而實現相應的功能。
日前，德國斯圖加特大學的研究人員就展示了這種由可電切換的超透鏡。在實驗中，通過僅±1的外加電壓，等離子超透鏡能在完全開啟和關閉狀態之間切換。
斯圖加特大學的聚合物超透鏡概念如圖1所示。它由兩個獨立的可電切換超透鏡（1和2）組成，放置在ITO（氧化銦錫）涂層基底之上，并由電解質隔開（圖1a）。
每個超透鏡包括等離子體聚合物納米天線，其可通過+1V和-1V的施加電壓在金屬狀態和絕緣狀態之間切換。特別地，納米天線的等離子體共振可以完全電接通或斷開。
這個概念與使用相變材料的納米天線的其他直接方法截然不同。后者的材料通常由溫度切換，同時轉變采用結構重新取向（例如非晶態到晶態），因此造成的是折射率變化而不是金屬到絕緣體的轉變。通過使用電阻加熱，這種溫度輔助開關機制可以顯著加快，但需要相當高的電壓（5V–25V） 。
在團隊的概念中，+1 V已經足以切換成金屬狀態，從而使單個超透鏡變為打開狀態。-1V則切換成絕緣體，從而關閉折射。
取決于施加到單個聚合物超透鏡的電壓，研究人員獲得四種不同的輸出狀態，如圖1b–e所示。
在圖1b中，超透鏡1打開（+1 V） 而超途徑2關閉(−1 V） 。只有超透鏡1聚焦入射的準直光束。物鏡具有焦距f1
在圖1c中的反轉情況（超透鏡1關閉，超透鏡2打開）僅使超透鏡2聚焦入射光。物鏡具有焦距f2。
在圖1d的第三種情況下（超透鏡1打開，超透鏡2打開），團隊獲得了唯一的多焦點狀態。由于團隊提出的超透鏡使用幾何相位和圓偏振光的一般工作原理，兩個超透鏡不會相互影響。入射的右圓偏振（RCP）光聚焦為左圓偏振（LCP）光，反之亦然。這意味著聚焦光相對于入射光是交叉偏振。兩個超透鏡分別聚焦入射的圓偏振光，從而獲得兩個焦點，如圖1d所示。
在圖1e中，沒有聚焦光，當施加電壓為−1 V時，超透鏡1和超透鏡2均關閉。
當然，盡管可以通過電控實現變焦功能，但團隊坦承目前的聚焦效率有待提高。
如上圖所示，研究人員獲得了FWHM（半峰全寬）為81 μm的焦點，照射波長λ = 2.65 µm。請注意，理論衍射極限FWHM約為10 μm，這是假設完美的單色照明并忽略了色散和像差。像差的一個潛在原因在于大面積聚合物超透鏡的制造，它對制造誤差依然相當敏感，而這種不精確性可以由電子束光刻的write-field對準或由半定向氬干法蝕刻引起。
另外，直徑為1.5 mm的超透鏡是由100 µm × 100 µm write-fields的亞單位設計。因此，這意味著超透鏡的聚合物納米天線將顯示出與理想形狀/尺寸，以及與準確位置和旋轉角度的偏差，而這會引入像差。同時，研究人員達到了紅外攝像頭的分辨率極限，而這可能會導致進一步的錯誤。
到目前為止，所述超透鏡的聚焦效率為0.8%。它受到等離子體共振的整體調制的限制，如圖2d所示。所以，材料工程以及優化金屬聚合物的摻雜水平將提高未來的聚焦效率。
接下來，我們將注意力轉向開關性能。如圖3a所示，使用液體電解質中的電化學設置進行電氣切換。它包括一個三電極裝置，涉及一個參考電極和一個對電極。請注意，電化學電池可以用紫外敏感膠或熱塑性塑料完全空氣密封。
為了促進與AR/VR設備的集成，液體電解質可以用凝膠狀或固體電解質代替。在團隊的配置中，聚合物金屬本身充當工作電極，并通過ITO層接觸。
同時，使用位于超透鏡焦平面內的紅外攝像頭對透射強度和光束輪廓進行成像。最重要的是，圖3b證明聚合物超透鏡可以根據需要在打開和關閉狀態之間切換。
電壓為+1 V將納米天線的等離子體共振打開，從而打開超透鏡（右）。聚合物轉變為金屬狀態，研究人員在焦平面觀察到一個焦點。相比之下，−1 V關閉等離子共振和超透鏡（左）。聚合物切換到絕緣狀態。。最后，在打開和關閉狀態之間的電光切換可逆，并且可以在數百個切換周期內重復，切換頻率最高達到33 Hz。
上面提到團隊研發的超透鏡可以在四種不同狀態之間切換，而結果如圖4b所示。
在第一狀態（最上方，）中，超透鏡1被設置為打開（+1 V） 而超透鏡2設置為關閉(−1 V） 。只有超透鏡1聚焦入射的圓偏振光束，并且可以在位置z = 6mm發現焦平面F1有單個焦點。
第二種狀態（超透鏡1設置為關閉，超透鏡2設置為打開）切換物鏡的焦距，可以在位置 z = 8.5 mm發現焦平面F2有單個焦點。
另外，團隊同時利用物鏡實現了另外兩種狀態。通過+1V的外加電壓同時打開兩個超透鏡1和2，從而創建多焦點物鏡。研究人員在焦平面F1和F2都獲得了焦點。
然后，通過將−1 V施加到兩個聚合物超透鏡（圖4b最下方），將兩者設置為關閉并進入絕緣狀態。這時沒有觀察到焦點。
總的來說，德國斯圖加特大學通過使用光學金屬到絕緣體過渡展示了按需電切換。研究人員觀察到超透鏡的打開和關閉狀態。團隊認為，未來可以進一步提高聚焦效率和切換速度，例如可以通過改變納米天線的總體尺寸（要切換的材料更少）、通過移除納米天線頂部的SiO2覆蓋層（更大的表面用于電解質）、或通過使用不同的電解質。
同時，通過將兩個超透鏡結合到一個元物鏡中，團隊展示了包括多焦點狀態在內的四種不同狀態。對于未來的方法，研究人員提到這種超透鏡可以用到AR/VR設備。當然，他們的目標是更高的電荷載流子密度和更短的等離子體波長，從而實現電信甚至可見光范圍內的可切換等離子體操作。隨著技術的發展，德國斯圖加特大學認為“甚至用于AR和VR應用的可見視頻速率全息圖都將實現”。
來源：映維網
