来源:中国科学院光电技术研究所 发布时间:2024/8/6 12:46:02
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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

 
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