美国中佛罗里达大学吴诗聪(Shin-Tson Wu)教授团队与上海交通大学李燕教授团队联合提出了一种新型的多扭曲结构，有效解决了液晶偏振光学元件中的色差问题，实现了消色差PBOEs，为AR/VR系统、成像技术和显示技术的未来发展带来了巨大潜力。

增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术正在迅速变革人机交互，推动医疗、游戏、教育和制造等多个领域的发展。要使AR和VR设备真正具备可穿戴性，关键在于开发出紧凑、轻便且能效高的光学系统。基于液晶(LC)的Pacharatnam-Berry相位光学元件(PBOEs)(图1(a))因其超薄的形态、高衍射效率、偏振选择性以及动态调节能力，成为解决这一挑战的有力方案。然而，色差问题仍然是PBOEs在实际应用中面临的主要障碍，如图1(b)所示。

图1 (a) PBOE的平面液晶结构；(b) PBL中衍射引入的色差；(c) PBOE的多扭曲液晶结构；(d) PBL中衍射引入的成像色差。

为了解决色差问题，研究者提出了多种方法。一种方法是将PBOE膜层与折射透镜叠加，但这会增加系统的体积。更为高效的方案是采用平面光学元件，如动态可调的PBOEs，这些元件能在不同的帧中调节不同颜色的相位延迟，但需要高帧率显示器配合以避免颜色分离。此外，数字补偿技术通过图像预处理修正色差，但其高功耗和计算需求也是一大挑战。为了进一步解决PBOE的色差，研究者探索了堆叠PBOEs、结合半波片或全息薄膜等技术，但这些方法往往会导致光学效率降低、鬼影现象和颜色串扰等问题，且制造上的精确控制仍然是一个难题。因此，在解决色差的前提下，如何在性能、复杂性和效率之间找到最佳平衡，依然是AR/VR光学系统亟待解决的关键难题。

由美国中佛罗里达大学吴诗聪(Shin-Tson Wu)教授和上海交通大学李燕教授共同领导的团队在液晶光子学领域取得了开创性进展，特别是在增强现实(AR)/虚拟现实(VR)显示技术和成像光学方面的应用。近期，他们提出了一种新型的多扭曲结构(图1(c))，有效解决了液晶偏振光学元件中的色差问题(图1(d))，实现了消色差PBOEs。这一突破为AR/VR系统、成像技术和显示技术的未来发展带来了巨大潜力。

为了解决Pacharatnam-Berry透镜(PBLs)中的色差问题，研究团队设计了三种专门针对RGB颜色的PBL，每种PBL都具有相同的焦距。虽然这一方法可以有效减少色彩失真，但也面临了串扰问题，即当RGB颜色重叠时会导致光损失和鬼影。为此，研究人员开发了窄带PBLs，每种PBL仅对红、绿或蓝光响应，如图2(a~c)所示。例如，专为红光设计的PBL仅放大或缩小红光影像，而不会影响蓝光和绿光。通过这种方式，RGB颜色之间的色差得以消除，如图2(d)所示。采用多扭曲结构后，该团队优化了各层的厚度和扭曲角度，实现了对每种波长的精确相位延迟，有效消除了串扰和色差。通过激光投影仪的实验验证，证明了这一设计的有效性，每个窄带PBL仅调制其目标颜色，如图2(e~g)所示。将三种窄带PBL堆叠后，RGB光束被融合成接近完美的白色图像，色差大大减弱，如图2(h)所示。

图2 (a)红色PBL、(b)绿色PBL、(c)蓝色PBL和(d)叠加的消色差PBL对入射RGB光的光学响应。实验结果展示了(e)红色PBL、(f)绿色PBL、(g)蓝色PBL和(h)叠加的消色差PBL对RGB激光投影仪的成像表现。

进一步拓展研究，该团队还开发了更厚的窄带PBOE，对RGB波长实现了超过500:1的对比度。通过在OpticStudio中结合严格耦合波分析(RCWA)和偏振光线追踪，团队验证了该方法在激光、LED和量子点光源下的优异色差校正性能，如图3所示。

总体而言，本研究提出并验证了一种基于多扭曲结构的窄带PBOEs新方法，该方法有效消除了色差并实现了高效率的无串扰的消色差PBOEs，同时保持了紧凑的形态。通过实验和偏振光线追踪验证，该方法能够有效消除激光投影仪下的PBOEs色差；在使用具有20 nm FWHM的量子点LED光源时，仍能实现很好的消色差效果。此外，该团队设计并研究了对比度超过500:1的窄带PBOEs，进一步挖掘了多扭曲结构的潜力。值得注意的是，该方法不受RGB波长选择或液晶材料双折射色散的限制，提供了高度的设计自由度，适用于不同的光源和液晶材料。总体而言，本方法展示了高光学效率、低制造复杂度和广泛的设计自由度，对于各种液晶材料和RGB光源的PBOEs应用具有巨大的潜力。

图3 使用三种高对比度窄带PBD的消色差PBD系统的偏振光线追踪。(a) RGB激光投影仪的光谱；(b) 使用激光投影仪的消色差PBD的成像图像；(c) 使用激光投影仪的未消色差PBD的成像图像；(d) RGB LED光源的光谱；(e) 使用RGB LED光源的消色差PBD的成像图像；(f) 使用RGB LED光源的未消色差PBD系统图像；(g) RGB量子点LED光源的光谱；(h) 使用RGB量子点LED光源的消色差PBD的成像图像；(i) 使用RGB量子点LED光源的未消色差PBD的成像图像。

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的讲座教授。他在南加州大学获得物理博士学位，在台湾大学获得物理学士学位。他是美国国家发明家研究院首届院士(2012年)，以及佛罗里达发明家名人堂的首批六位入选者之一(2014年)。此外，他获得的奖項包括UCF Medal of Societal Impact (2024年), 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 Award (2010年)、SPIE G. G. Stokes Award (2008年)和 SID Jan Rajchman Prize (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，课题组内共有十名博士生，一名硕士生和一位本科学生。

吴教授课题组的学生曾多次获奖。在2021年，熊江浩和尹坤分别获得了 ILCS-FRL钻石奖和铂金奖。2022年，李闫南琦获得ILCS-FRL金奖，向恩霖获得SPIE 奖学金。2023年，杨谦获得SPIE奖学金。2024年，罗桢埸获得了ILCS-FRL钻石奖。同年，罗桢埸和丁玉强分别获得SPIE AR/VR/MR光学设计挑战赛第一名和第三名.

2023 Meta研究人员访问该课题组

课题组主页：

https://lcd.creol.ucf.edu/Default.htm