用于VR显示器的消色差衍射液晶光学器件

作为下一代移动平台的有前途的候选品，混合现实(MR)，如Apple Vision Pro和Meta Quest Pro(都是通透虚拟现实耳机)，有潜力彻底改变我们感知和与各种数字信息互动的方式。

通过提供与数字信息更直接的互动，MR是元宇宙、空间计算和数字孪生的关键推动者之一，这些技术在智能旅游、智能医疗保健、智能制造和智能建筑等领域得到了广泛应用。

为了进一步增强MR显示器的人为因素和人机工程学，必须改善整体用户体验，特别是长期佩戴舒适性。为了实现这一目标，超紧凑的外形因子和轻量级设备是关键目标。

在发表在《光：科学与应用》杂志上的一篇新论文中，由美国中佛罗里达大学光学与光子学院的Shin-Tson Wu教授和同事领导的一组科学家展示了一种具有超薄外形和轻量级的消色差衍射液晶(LC)光学系统。

a.使用激光投影仪作为光源的单个LC透镜的成像结果；b.使用激光投影仪作为光源的提出的消色差LC透镜系统的成像结果；c.使用OLED显示面板作为光源的单个LC透镜的成像结果；d.使用OLED显示面板作为光源的提出的消色差LC透镜系统的成像结果。

与使用光路差产生相位图的折射光学器件不同，衍射LC光学器件通过满足沿厚度方向的半波条件（对于可见光来说通常是几微米）来产生所需的相位图。

这些LC光学器件具有多个优点，如高衍射效率(近100%)、易制造、偏振选择性和动态切换，使它们成为近眼显示应用有希望的候选者。然而，LC光学器件的衍射角取决于波长，这反过来会导致严重的色差，不能用于成像目的。

为了克服这个长期存在的色差问题，同时保持超薄的外形，Wu教授的研究小组提出了一种消色差LC光学系统，该系统由三个组件组成，利用偏振选择性。每个光学元件的传输光谱和相位图都经过精心设计，以控制偏振状态和校正色差。

具体而言，对于消色差LC透镜系统以消除蓝光和红光之间焦距偏移，第一个组件将是一个在可见光谱区域显示高效率的宽带透镜，第二个组件将是一个半波板，用于切换蓝光的偏振状态。

最后一个组件是一个具有特殊设计的传输频谱的LC透镜，仅对蓝光和红光有效。消色差LC透镜系统可以通过简单地将这三个LC组件堆叠在一起来实现。消色差光栅和偏转系统都可以基于相同的原理构建。

该概念使用两种不同类型的光引擎进行了验证：激光投影仪和有机发光二极管(OLED)显示面板。单个LC透镜的图像显示出严重的色差，这是由衍射光学的波长依赖性光功率引起的。消色差透镜系统显示出显著改善的颜色性能，其色差被显著抑制。

​通过适当控制偏振态，该方法可以扩展到其他类型的衍射光学器件，有望制造出更紧凑的光学器件，并在MR支持的智能交通、智能城市、智能医疗和智能制造中得到广泛应用。

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