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(jìn)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(xué)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(jìn)而使得整個光學(xué)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(jìn)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(yán)重的色差而難以實際應(yīng)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(dāng)平行白光進(jìn)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(dāng)?shù)脑O(shè)計消除。相較之下，衍射透鏡的色差要遠(yuǎn)比折射透鏡嚴(yán)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(jìn)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(dá)大學(xué)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(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)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(jìn)一步促進(jìn)各種衍射器件在VR成像系統(tǒng)中的實際應(yīng)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(dá)大學(xué)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(xué)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。基于此的液晶衍射器件只對圓偏振光響應(yīng)，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(fù)透鏡）。除了圓偏振響應(yīng)，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(yīng)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(yīng)以及響應(yīng)光譜依賴于半波條件的特點，通過調(diào)控紅綠藍(lán)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(yīng)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(yīng)）液晶衍射透鏡，當(dāng)光線穿過該寬帶透鏡之后，會出現(xiàn)嚴(yán)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(lán)光的偏振態(tài)，使得光線通過之后，藍(lán)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(lán)光響應(yīng)，由于兩者的偏振態(tài)相反，其中一個會被進(jìn)一步會聚而另一個則被發(fā)散，最終補(bǔ)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)；b，對藍(lán)光有效的半波片的偏振以及光譜響應(yīng)；c，對紅藍(lán)光有效的液晶衍射透鏡的偏振以及光譜響應(yīng)；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(zhǔn)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(yán)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(jī)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(jìn)而消除色差。隨著該消色差液晶衍射器件的提出，有望促進(jìn)各種衍射器件在VR產(chǎn)品以及其它多種應(yīng)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