用于虚拟现实显示器的消色差衍射液晶光学器件

a，使用激光投影仪作为光源的单 LC 透镜的成像结果；b，使用激光投影仪作为光源的拟议消色差 LC 透镜系统的成像结果；c，使用 OLED 显示面板作为光源的单 LC 透镜的成像结果；d，使用 OLED 显示面板作为光源的拟议消色差 LC 透镜系统的成像结果。资料来源：Zhenyi Luo、Yannanqi Li、John Semmen、Yi Rao 和 Shin-Tson Wu。

苹果 Vision Pro 和 Meta Quest Pro（均为直通式虚拟现实头盔）等混合现实技术（MR）是下一代移动平台的理想候选产品，有望彻底改变我们感知各种数字信息并与之互动的方式。

通过与数字信息进行更直接的交互，磁共振是元宇宙、空间计算和数字孪生的关键推动因素之一，在智能旅游、智能医疗、智能制造和智能建筑等领域得到了广泛应用。

为了进一步提高磁共振显示器的人因和人体工程学性能，必须改善整体用户体验，尤其是长期佩戴的舒适性。要实现这一目标，超小型外形和轻质设备是关键目标。

在发表于《Light： 科学与应用》（Light: Science & Applications）杂志上发表的一篇新论文中，由美国中佛罗里达大学光学与光子学院的 Shin-Tson Wu 教授及其合作者领导的科学家团队展示了一种消色差液晶（LC）光学系统，该系统外形超薄、重量轻。

与使用光路差来产生相位模式的折射光学系统不同，衍射液晶光学系统通过满足沿厚度方向的半波条件来产生所需的相位模式，对于可见光而言，厚度方向通常为几微米。

这些 LC 光学器件具有多种优势，例如衍射效率高（接近 100%）、易于制造、偏振选择性和动态切换，使其成为近眼显示应用的理想候选器件。然而，LC 光学器件的衍射角取决于波长，这反过来又会导致严重的色差，无法用于成像目的。

为了在保持超薄外形的同时克服这一长期存在的色差问题，吴教授的团队提出了一种消色差 LC 光学系统，该系统由三个组件组成，利用了偏振选择性的优势。每个光学元件的透射光谱和相位模式都经过精心设计，以控制偏振态并校正色差。

具体来说，对于消除蓝光和红光之间焦距偏移的消色差 LC 透镜系统来说，第一个元件是在可见光谱区域显示高效率的宽带透镜，第二个元件是设计用于切换蓝光偏振态的半波板。

最后一个元件是一个具有特殊设计的透射光谱的 LC 透镜，它只对蓝光和红光有效。只需将这三个 LC 组件堆叠在一起，即可实现消色差 LC 透镜系统。消色差光栅和偏转系统都可以根据相同的原理构建。

我们使用两种不同类型的光引擎对这一概念进行了验证：激光投影仪和有机发光二极管（OLED）显示面板。单 LC 透镜的图像显示出严重的色差，这是由于衍射光学元件的光学功率与波长有关。消色差透镜系统的色彩表现明显改善，色像差被显著抑制。

通过适当控制偏振态，这种方法可扩展到其他类型的衍射光学元件，从而有望产生更紧凑的光学元件。它将在具有磁共振功能的智能交通、智能城市、智能医疗和智能制造领域得到广泛应用。

参考资料

Zhenyi Luo et al, Achromatic diffractive liquid-crystal optics for virtual reality displays, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01254-8

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