革命性的下一代VR和MR显示与一个新的煎饼光学系统

图1所示。煎饼光学系统的概念。(a)器件结构和(b)常规煎饼光学系统的工作机理。(c)双路煎饼光学系统的结构和(d)工作机理。LCP、RCP和LP分别代表左旋圆偏振、右旋圆偏振和线性偏振。来源:《光电进步》(2024)。DOI: 10.29026/oea.2024.230178增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)已经扩展了感知视野，并引领了超越传统平板显示器限制的更深层次的人与数字交互。

这种进化开启了一个令人兴奋的新可能性领域，包括元宇宙、数字双胞胎和空间计算，所有这些都在智能教育和培训、医疗保健、导航、游戏、娱乐和智能制造等不同领域得到了广泛应用。

为了使AR、VR和MR显示器在很长一段时间内成为真正的可穿戴设备，迫切需要紧凑、时尚的外形、低重量和低功耗。与菲涅尔透镜和折光透镜相比，基于偏振的折叠光学，通常被称为煎饼光学，在过去几年中已经成为紧凑轻量级VR头显的关键突破，包括Apple Vision Pro和Meta Quest 3。

这些煎饼光学大大减少了VR显示器的体积，从而改善了头显的重心。然而，所采用的半反射镜导致相当大的光学损耗，这限制了最高效率为25%。因此，研究人员正在研究一种新的光学结构，它具有与煎饼透镜相同的折叠能力，但没有光学损耗。

发表在《光电进展》杂志上的一篇新文章的作者广泛探索了光引擎、成像光学以及AR、VR和MR显示器的功耗。本文提出了一种改变游戏规则的煎饼光学系统，用于减少VR和MR显示器的体积，同时保持高效率。这项研究背后的动机是对可穿戴VR/MR头显的需求不断增加，不仅视觉上令人印象深刻，而且在长时间使用时也很舒适。目前使用传统煎饼光学的VR头显面临着光学效率低的挑战，这反过来又导致头显的热效应增加，并且由于半镜引起的巨大光学损耗而缩短了电池寿命。

如图1 (a-b)所示，只有大约25%的光(假设没有其他损失)从显示面板到达观察者的眼睛。然而，如果微显示器发出非偏振光，那么最大光学效率进一步降低到12.5%。未使用的光要么被耳机吸收，增加热效应，要么成为杂散光，降低图像质量。

新型煎饼光学系统通过引入理论上无损的设计解决了这一挑战，在反射偏振器之间结合了一个非互易偏振旋转器，也称为法拉第旋转器，如图1 (c-d)所示。在这种设计中，非互易偏振旋转器在光路折叠中起着关键作用。

图2。互反和非互反偏振旋转器示意图。(a)前向传播和(b)后向传播过程中互易偏振旋转器中的偏振旋转。(c)通过正向传播和(d)反向传播的非互易偏振旋转器中的偏振旋转。来源:《光电进步》(2024)。DOI: 10.29026/oea.2024.230178与倒易偏振旋转器(例如，半波片)相比，非倒易偏振旋转器旋转线偏振光，而不考虑光波的传播方向，如图2所示。因此，通过非互易偏振旋转器的正向和反向传播的往返导致净旋转为2θ。

图。3。新型煎饼光学的验证。(a)新型煎饼光学系统中的折叠激光束。(b)在微型oled面板上输入图像。(c)新型煎饼光学系统的折叠图像。(d)新型煎饼光学系统中的折叠白色图像。(e)宽带非互易偏振旋转器的多层设计。(f)多层设计的谱响应。资料来源:改编自《光电进展》(2024)。DOI: 10.29026/oea.2024.230178

利用激光源和微型oled面板进行初步实验，验证其光学效率和折叠能力，分别如图3 (a)和(b-c)所示。由于缺乏抗反射(AR)涂层和所采用的反射偏振片性能不理想，测量的光学效率约为71.5%。

采用高性能反射偏振片和AR镀膜后，光学效率提高到93.2%，接近理论预测。此外，还分析了这种新型煎饼光学系统中可能出现的四种鬼像。通过对鬼像产生的根源进行识别，提出了提高图像对比度的新方法。此外，提出了一种多层结构来拓宽法拉第旋转器的带宽，以实现全彩显示。

如图3 (d-f)所示，三个非互易偏振旋转器和四分之一波片序列足以实现宽带频谱响应。最后，为了实现大视场和真正紧凑的外形，本文分析和讨论了几种可能的薄膜磁光材料。

总的来说，这些演示展示了这种新型煎饼光学系统的潜力，它可以彻底改变下一代VR和MR显示器，其重量轻，结构紧凑，功耗低。迫切需要一种既无磁性又高度透明的薄膜法拉第旋转体，同时在可见光区域具有较大的Verdet常数，有望激发未来下一轮磁光材料的发展。