Light：適用于VR顯示的消色差液晶衍射透鏡

虛擬現(xiàn)實（VR）設(shè)備可以更直接地提供與數(shù)字信息交互的渠道，有望徹底改變我們目前的生活娛樂方式。VR設(shè)備也可以與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合，如教育、旅游、醫(yī)療、制造和建筑等，提供更便捷高效的交流。隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，眾多科技廠商也都陸續(xù)推出了自己的VR設(shè)備，今年發(fā)布的Apple Vision Pro更是得到了廣泛的關(guān)注。為了進一步提高目前VR設(shè)備的使用體驗，特別是考慮到長時間佩戴的舒適性，迫切需要實現(xiàn)更輕薄、更小巧的外形設(shè)計。

從光學成像方面考慮，VR設(shè)備主要包括一個大小為1-2英寸的顯示器，以及一個用于放大影像的透鏡系統(tǒng)。目前的VR設(shè)備主要采用的是菲涅爾透鏡系統(tǒng)以及Pancake透鏡系統(tǒng)，且兩者均是基于折射的透鏡。菲涅爾透鏡相比普通透鏡更輕薄，但隨之犧牲的是其成像質(zhì)量。相比之下，Pancake透鏡系統(tǒng)能提供更優(yōu)秀的成像質(zhì)量，并且由于光線在Pancake系統(tǒng)內(nèi)被折疊，該成像系統(tǒng)中的物距會變得更小，進而使得整個光學成像系統(tǒng)更加緊湊。折射透鏡由于不同位置的光程差不同而產(chǎn)生聚焦或發(fā)散，為了得到更短的焦距，往往會增加透鏡的厚度。Pancake透鏡系統(tǒng)主要由一片半透半反鏡及折射透鏡構(gòu)成，整個系統(tǒng)的重量仍然需要優(yōu)化。并且為了優(yōu)化成像系統(tǒng)中的各種像差，Pancake透鏡系統(tǒng)往往由多片透鏡構(gòu)成（Apple Vision Pro中包含三片，Meta Quest Pro中包含兩片），進一步增加了系統(tǒng)的重量和功耗。

不同于折射透鏡，衍射透鏡能以更輕薄的厚度提供同樣短的焦距，但卻受限于自身嚴重的色差而難以實際應用。色散也存在于折射現(xiàn)象中，棱鏡分光以及彩虹的產(chǎn)生也都是由于折射中的色散。當平行白光進入衍射正透鏡時，不同顏色的光會被聚焦在不同的地方。在折射透鏡中所引起的色差可以通過適當?shù)脑O(shè)計消除。相較之下，衍射透鏡的色差要遠比折射透鏡嚴重。因而，雖然衍射透鏡更加輕薄，但仍無法滿足VR設(shè)備中的成像要求。如果能實現(xiàn)消除色差的衍射透鏡，就有望設(shè)計出更加輕薄的透鏡系統(tǒng)而進一步減輕VR設(shè)備的重量和體積。

消色差液晶衍射透鏡

為了得到更輕薄的透鏡，美國中佛羅里達大學吳詩聰教授課題組提出了基于液晶的消色差衍射透鏡系統(tǒng)。該設(shè)計利用液晶透鏡的偏振選擇特性，通過調(diào)控不同顏色入射光線的偏振態(tài)，對衍射透鏡產(chǎn)生的色差進行適當補償，最終修正了衍射透鏡的色差。整個系統(tǒng)的有效厚度低于1毫米，并且該原理同樣適用于其他的衍射器件，有望進一步促進各種衍射器件在VR成像系統(tǒng)中的實際應用。

該研究成果以“Achromatic diffractive liquid-crystal optics for virtual reality displays”為題在線發(fā)表在Light: Science & Applications。美國中佛羅里達大學博士生羅楨埸為本文的第一作者，吳詩聰教授為本文的通訊作者。

液晶衍射器件原理類似于光學實驗中常用的半波片，并且通過合適的光配向過程能夠?qū)崿F(xiàn)光柵或者透鏡功能?；诖说囊壕а苌淦骷粚A偏振光響應，以液晶衍射透鏡為例，左旋圓偏振光透過之后被轉(zhuǎn)化為右旋圓偏振光，并且被會聚（正透鏡），則右旋圓偏振光通過該器件之后會被轉(zhuǎn)化為左旋圓偏振光，并且被發(fā)散（負透鏡）。除了圓偏振響應，液晶衍射器件也有高效率（接近100%）、制造簡單、可動態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。其響應光譜則由液晶層厚度以及液晶材料的雙折射率決定，滿足半波條件的波長處效率最高。對于工作范圍在可見光波段的液晶衍射器件，其有效液晶層厚度往往為幾微米，保證了液晶衍射器件輕薄的優(yōu)勢。

基于液晶衍射器件圓偏振響應以及響應光譜依賴于半波條件的特點，通過調(diào)控紅綠藍三種顏色的光的偏振態(tài)以及設(shè)計液晶衍射器件的響應光譜，就可以實現(xiàn)消色差的目的。具體來講，提出的消色差液晶衍射透鏡包含三個器件，第一個器件為寬帶（對三個顏色均有響應）液晶衍射透鏡，當光線穿過該寬帶透鏡之后，會出現(xiàn)嚴重的色差，但出射光的偏振態(tài)仍然相同并入射到第二個液晶衍射器件上。第二個器件的作用僅為翻轉(zhuǎn)藍光的偏振態(tài)，使得光線通過之后，藍光和紅光的偏振態(tài)相反（一個為左旋另一個為右旋圓偏振光）。最后一個液晶衍射透鏡被設(shè)計為只對紅光和藍光響應，由于兩者的偏振態(tài)相反，其中一個會被進一步會聚而另一個則被發(fā)散，最終補償?shù)谝粋€寬帶液晶衍射透鏡引入的色差。整個消色差系統(tǒng)的有效厚度不到1毫米，遠遠低于折射透鏡的厚度（圖1）。

圖1. 消色差液晶衍射透鏡的原理示意圖。a，寬帶液晶衍射透鏡的偏振以及光譜響應；b，對藍光有效的半波片的偏振以及光譜響應；c，對紅藍光有效的液晶衍射透鏡的偏振以及光譜響應；d，消色差液晶衍射透鏡。

兩套不同的成像系統(tǒng)被用來驗證消色差的效果。第一套采用激光投影儀作為光源，出射光線被準直之后通過液晶衍射透鏡，最終在一張白紙上產(chǎn)生了實像。圖2中的a部分是通過單片寬帶液晶衍射透鏡之后所成的實像，由于液晶衍射器件嚴重的色差，白紙上出現(xiàn)了三個不同大小和顏色的像。而b部分是通過消色差液晶衍射透鏡之后得到的實像，可以看出色差已經(jīng)被修正，僅出現(xiàn)白色的實像。在第二套采用OLED手機面板作為光源的系統(tǒng)中也得到了相同的消色差的效果 (c 和 d)。

圖2. 消色差效果圖。a，寬帶液晶衍射透鏡用于激光投影儀系統(tǒng)中的成像；b，消色差液晶衍射透鏡用于激光投影儀系統(tǒng)中的成像；c，寬帶液晶衍射透鏡用于OLED系統(tǒng)中的成像；b，消色差液晶衍射透鏡用于OLED系統(tǒng)中的成像。

總結(jié)與展望

為了提高VR設(shè)備長時間佩戴的舒適性，如何設(shè)計更加輕薄緊湊的成像系統(tǒng)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。本文提出了一個簡單可行的消除液晶衍射器件中色差的方法，該方法并不局限于消除液晶衍射器件中的色差，其他種類的衍射器件也可以和液晶衍射器件結(jié)合進而消除色差。隨著該消色差液晶衍射器件的提出，有望促進各種衍射器件在VR產(chǎn)品以及其它多種應用的普及，為設(shè)計更加輕薄的VR設(shè)備提供了新的希望。

論文信息

Luo, Z., Li, Y., Semmen, J. et al. Achromatic diffractive liquid-crystal optics for virtual reality displays.Light Sci Appl12, 230 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01254-8