以超穎介面重新定義3D顯示器

超穎介面柱狀透鏡的2D／3D切換式顯示器，採用奈米結構的超薄超穎透鏡^(註一)，實現平面（2D）與立體（3D）影像之間的無縫切換。

超穎介面不僅顯著縮減厚度，亦有助於實現複雜的光學功能，使其成為新世代顯示器與相機模組的關鍵技術。

▲光場顯示器能隨著觀看角度的變化，呈現不同的影像。

此技術透過引導多個角度光線，打造無需配戴眼鏡的3D體驗，模擬真實世界的視覺感知。

長久以來，光場顯示器在娛樂、擴增實境（AR）和醫學影像領域備受期待；然而，傳統技術在商業化推廣上始終面臨挑戰，包括光學元件體積龐大、視角狹窄（約15度）、解析度下降，以及過度依賴即時眼球追蹤等問題。

為克服上述限制，研究團隊利用偏振原理－亦即光的偏振方向，設計出能動態調節焦距特性的超穎介面柱狀透鏡（MLL）。

切換2D與3D模式

▲示意圖：超穎透鏡如何根據偏振控制器的狀態，在高解析度2D與立體3D模式之間進行切換

▲2D／3D切換式顯示器之示意圖

這項研究首次展示一種可透過電壓控制，在單一裝置內切換2D與3D模式的超穎光學系統。對終端用戶而言，這是一項突破性的進展，未來用戶將能在處理日常任務時，選擇高解析度的2D模式；並在觀賞影片時，隨時切換為沉浸式的多視角3D模式。

該模組根據顯示器前方的偏光控制器，切換超穎透鏡的凹面鏡與凸面鏡模式。在2D觀看模式下，例如閱讀或瀏覽內容時，超穎透鏡可發揮凹面鏡的作用（控制器開啟），消除凸面鏡的發散效果，使光線像穿透平面玻璃般直射，產生清晰的影像。

而在觀賞3D內容時，隨著關閉控制器，超穎透鏡則轉為凸面鏡模式，並與現有透鏡協同運作，進而強化景深並擴大視角。透過此機制，該模組能同時實現2D的清晰度和3D的立體感。

薄化設計，拓寬視角

▲傳統柱狀透鏡與改良型超穎透鏡之比較

這項研究的一大亮點，在於大幅改善裝置厚度與視角。以往，若要達到高畫質與廣角效果，通常需依賴於龐大且厚重的透鏡。而今，研究團隊開發的超穎介面柱狀透鏡具備高數值孔徑（NA）^(註二)，不僅實現1.2mm的超薄規格，亦達成高達100度的超廣視角。這項技術除了將以往的15度視角，一口氣擴大六倍以上，還能同時讓多名觀者從不同位置體驗3D內容。此外，該成果亦展示奈米級的新型設計，如何突破笨重光學模組的諸多限制。

朝商業化階段邁進一大步

▲（左起）精心設計的超穎介面柱狀透鏡（50 × 50 mm, 25 cm²）和奈米級結構，使柱面透鏡發揮絕佳作用

此項研究不僅是單純的概念驗證，更展示將超穎透鏡技術整合至實體裝置的實際可行性。研究團隊成功製作尺寸達50 × 50 mm（25 cm²）的大面積超穎透鏡，並於行動裝置廣泛使用的OLED面板上完成驗證。

此項研究由三星電子三星研究院視覺技術團隊，以及浦項工科大學（POSTECH）奈米級光子學與整合製造實驗室共同合作完成。

展望未來，該技術有望重塑新世代顯示器的樣貌，應用範圍涵蓋智慧型手機、平板、商用系統等。

從光學設計、製造到即時切換驗證，三星攜手浦項工科大學突破重重技術壁壘。隨著研究成果發表於《自然》期刊，三星進一步鞏固其在超穎光學、新世代顯示技術領域的領先地位。

註一：一種超越傳統折射透鏡、能精準調控光線的新世代光學技術。
註二：衡量光學系統聚光能力的一項指標，用以指出光線進入透鏡時的最大入射角。

此篇題為《廣視角全像近眼顯示器用roll-to-plate可列印RGB消色差超穎透鏡》的論文，是三星與POSTECH產學合作團隊的研究結晶，雙方合力開發一種不產生色畸變的消色差超穎透鏡，並將該透鏡整合至全像顯示器，以克服各類型的光學像差。此項創新為尺寸精巧、質感卓越的全像XR穿戴式裝置，以及相機和感光元件的未來應用鋪路。

此項研究由來自三星研究院的Seokil Moon博士，以及來自POSTECH的Junsuk Rho教授主導，而POSTECH研究人員Minseok Choi、Joohoon Kim和Kilsoo Shin等人，亦被列為論文的共同作者。

克服傳統色差限制，消色差超穎透鏡輕薄登場

超穎透鏡是一種以奈米結構組成的平面透鏡，能夠控制光衍射，相較於傳統的凸透鏡，具有尺寸更小、更薄的優點^（註一）。因此，它被公認為顯示器和相機應用的新世代光學元件，成為過去十多年來的熱門研究題材。

雖然集眾多優勢於一身，但超穎透鏡存在嚴重的色散^（註二），導致影像高度失真，使產品開發面臨技術挑戰。

針對超穎透鏡的色散狀況，過去的解決之道是設計獨立的單一超結構，再將以組裝至基板。由於結構之間的相互關係在設計階段被忽略，因此無法完全杜絕最終鏡頭的色差現象。

為此，研究團隊打破傳統框架，重新定義超穎透鏡的設計方法，克服減少色差上的挑戰。團隊早在設計階段，便將超結構之間的相互關係納入考量，並採用同步化設計，成功擺脫組裝後的色差現象。

除了消除色差，該團隊所開發的消色差超穎透鏡亦縮短焦距，大幅減小鏡頭的尺寸與重量^（註三）。

單一透鏡打天下，實現更高解析度，同時減緩眼睛疲勞

一般而言，除了色差之外，超穎透鏡亦遭遇各種光學像差，隨著螢幕尺寸增加，影像失真問題益加嚴重。傳統解決辦法是結合多片透鏡，但研究團隊打破常規，藉由整合單一消色差超穎透鏡與全像顯示器，解決裝置內的各種光學像差，實現寬視角、零失真的高品質影像。

此外，研究團隊透過技術驗證，證明消色差超穎透鏡和全像顯示器的整合，可取代傳統光學鏡頭和顯示器，除了實現更精巧、輕量的尺寸，還能減少虛擬影像造成的視覺疲勞^（註四）。

此項研究成果，預計將應用於沉浸式媒體裝置，例如配備延展實境（XR）功能的裝置。此外，其應用範疇將延伸至各類光學系統－涵蓋顯示器、攝影鏡頭、感光元件等，以提高效能並減小尺寸。

透過此產學合作，三星驗證從概念化創新發想到付諸實施的整個過程，證實其在推動多元未來光學系統、掌握新世代顯示技術的潛力。

三星將持續深耕技術研發領域，藉由產學合作及獨步業界的其它舉措，掌握形塑未來的突破性技術。

註一：凸透鏡厚度通常為數毫米（mm），有時超過1公分（cm）；超穎透鏡則輕薄如紙，通常小於0.5毫米（mm）。

註二：「色差」又稱「色邊」，因鏡頭無法將不同的顏色對焦到同一點，使照片中的物體周圍出現彩色邊紋。

註三：相較於以往提出的消色差超穎透鏡，此項研究製造的超穎透鏡尺寸高出3至5倍，並保有相同的聚焦能力（數值孔徑）。

註四：使用全像顯示器校正像差後，影像畫質提升13%。影像品質使用峰值信噪比（PSNR）作為評估指標，廣泛用於影像和信號處理。