新型pancake光学设计引领下一代虚拟与混合现实显示技术革新

随着微型显示技术、超薄成像光学系统以及高速数字处理器的蓬勃发展，增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）已经从一个未来的概念演变为一种切实可行的技术。这一发展不仅拓展了我们的感知视野，还引领了更深层次的人机交互，超越了传统平板显示的限制。这种技术进步进一步推动了其他领域的发展，包括元宇宙、数字孪生和空间计算。这些创新技术在智能教育培训、医疗、导航、游戏、娱乐和智能制造等多个领域都得到了广泛的应用。

为了让AR、VR和MR头显在长时间的佩戴中保持舒适，紧凑、轻便、低功耗的光学系统设计成为当务之急。与传统的菲涅耳透镜和折射透镜相比，目前基于偏振的折叠光学系统，即pancake光学系统，已在实现VR头显的紧凑轻便方面发挥了关键作用，例如在Apple Vision Pro和Meta Quest 3等设备上得到广泛应用。这种pancake光学系统不仅显著缩减了VR头显的体积，还实现了更为沉浸式的体验。然而，由于折叠光路中使用一片半透半反镜，这种设计在本质上存在着较高的光学损耗。因此，为了提高VR头显的续航时间并保持紧凑轻便的性能，迫切需要发展新的光学结构设计。

来自美国中佛罗里达大学的吴诗聪教授团队主要专注于AR、VR和MR显示的研究。最近，他们推出了一种旨在改革下一代VR和MR显示系统的创新型pancake光学系统。这项研究的动机源于对可穿戴VR头显越来越苛刻的要求，人们不仅期望VR头显提供沉浸式体验，而且希望其穿戴舒适，具备轻薄和长续航时间等特性。

目前采用pancake光学的VR头显面临续航能力有限的挑战，主要源于半透半反镜引入的能量损耗，如图1（a-b）所示。理论上，仅有25%的光能够从显示面板最终传递到用户的眼睛。然而，如果显示器发出的光为非偏振光，最大光学效率将降至12.5%。为解决这一问题，吴诗聪教授团队所提出的新型pancake光学系统采用了创新性的设计，以最大程度地提高光学效率，为未来的可穿戴VR头显带来更出色的性能。

图1. Pancake光学系统的工作原理。传统pancake光学系统的（a）结构图与（b）偏振转换图。新型pancake光学系统的（c）结构图与（d）偏振转换图。

为了解决传统pancake光学系统低效的问题并同时保持其出色的折叠能力，该研究团队提出了一种新型无损耗的pancake光学系统。新设计如图1(c-d)所示，由一个非互易偏振旋转器和两个反射型偏振片组成。在这种设计中，非互易偏振旋转器(又称为法拉第旋转器)在折叠光学路径中扮演着至关重要的角色。如图2(a-d)所示，与互易性偏振旋转器（例如半波片）相比，无论光在介质中正向或逆向传播，非互易偏振旋转器都会沿着同一个方向旋转线偏振光。因此，在非互易偏振旋转器中正反向传播一个折返，线偏振光会旋转2θ。

图2.互易性与非互易性偏振旋转器的工作原理。线偏振在互易性偏振旋转器中（a）正向传播与（b）逆向传播的偏振旋转效果。线偏振在非互易性偏振旋转器中（c）正向传播与（d）逆向传播的偏振旋转效果。

为了验证新型pancake光学系统的可行性，该研究团队进行了实验，利用激光和micro-OLED显示器分别对其光学效率（图3（a））和折叠能力（图3（b-c））进行深入研究。研究结果显示，由于缺乏增透膜（AR coating）和高性能的反射偏振片，最初的光学效率仅为71.5%。然而，在应用了3M的高性能反射偏振片和增透膜后，光学效率显著提高至93.2%，接近理论效率。此外，该研究团队还深入探讨了新型pancake光学系统中导致鬼像产生的四种机制，并提出了相应的解决方案。值得一提的是，研究团队还提出了一种多层膜结构，以实现全彩显示。根据图3（d-f）的结果显示，采用三组非互易偏振旋转器和1/4波片的组合能够实现对整个可见光波段的偏振旋转。最后，该团队还对不同的薄膜磁光材料进行了深入的讨论和分析。

图3. 新型pancake光学系统的实验验证。（a）在新型pancake光学系统中折叠的激光光斑。（b）Mircro-OLED中输入的显示图像。（c）在新型pancake光学系统中折叠的绿光图像。（d）在新型pancake光学系统中折叠的白光图像。（e）多层结构实现全光谱响应。（f）多层结构的光谱响应。

该研究团队通过充分利用非互易偏振旋转器的特性，提出了一种新型无损耗的pancake光学系统。实验结果生动地展示了这一创新性的pancake光学系统对于下一代VR和MR头显具有巨大的潜力。此外，由于该设计对于在可见区域具有较大Verdet常数的非互易偏振旋转器薄膜的急迫需求，预计将激发未来磁光材料的下一轮发展。

该工作以“Breaking the optical efficiency limit of virtual reality with a nonreciprocal polarization rotator”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances （光电进展）2024年第3期。

研究团队简介

吴诗聪教授是中佛罗里达大学光学与光子学院CREOL的讲座教授。他在南加州大学获得物理学博士学位，在台湾大学获得物理学学士学位。他入选了美国国家发明家研究院院士（2012年），是佛罗里达发明家名人堂的首批六位入选者之一（2014年）。此外，他所获的奖项包括 Optica Edwin H. Land Medal (2022年)、SPIE Maria Goeppert-Mayer Award (2022年)、OSA Esther Hoffman Beller Medal (2014年)， SID Slottow-Owaki Prize（2011年）、OSA Joseph Fraunhofer（2010年）、SPIE G. G. Stokes（2008年）和 SID Jan Rajchman（2008年）。他的研究小组专注于增强现实（AR）和虚拟现实（VR），包括光学引擎（LCOS、mini-LED、micro-LED 和 OLED）、光学系统（光导、衍射光学和投影光学）和显示材料（液晶、量子点和钙钛矿）。目前，课题组内共有九名博士生，一名硕士生，一名本科生和两位访问学者。

吴教授课题组的学生曾多次获奖，如 SID 杰出论文奖、ILCS（国际液晶学会）Glenn H. Brown 奖 (2008林怡欣, 2014饶玲晖, 2018陈海伟, 2022黄玉格)、SPIE 光学和光子学教育奖学金、 SPIE AR/VR/MR 光学设计挑战奖(2019第一名谭冠军, 2020第一名湛韬, 2021-2022 Covid期间比赛暂停, 2023第二名李闫南琦)和 IEEE 杰出研究生奖等。自2020年起，Facebook现实实验室（FRL）与国际液晶学会联合主办FRL-ILCS液晶研究杰出奖，全球每年仅选出三名获奖者。吴教授课题组的学生多次获奖：2020年，湛韬荣获白金奖；2021年，；熊江浩和尹坤分别获得了钻石奖和白金奖；2022年，李闫南琦获得金奖；2023年，罗桢埸再次成功卫冕钻石奖。

2023 Meta研究人员访问该课题组

课题组主页：https://lcd.creol.ucf.edu/

相关论文

Ding YQ, Luo ZY, Borjigin G et al.Breaking the optical efficiency limit of virtual reality with a nonreciprocal polarization rotator. Opto-Electron Adv 7, 230178 (2024).

DOI:10.29026/oea.2024.230178