美国中佛罗里达年夜学吴诗聪(Shin-Tson Wu)教授团队与上海交通年夜学李燕教授团队结合提出了一种新型的多扭曲结构，有用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体系、成像技术及显示技术的未来生长带来了巨年夜潜力。
增强实际(AR)及虚拟实际(VR)技术正于迅速厘革人机交互，推动医疗、游戏、教诲及制造等多个领域的生长。要使AR及VR装备真正具有可穿着性，要害于在开发出紧凑、轻巧且能效高的光学体系。基在液晶(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、偏振选择性以和动态调治能力，成为解决这一挑战的有力方案。然而，色差问题仍旧是PBOEs于现实运用中面对的重要障碍，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。
为相识决色差问题，研究者提出了多种要领。一种要领是将PBOE膜层与折射透镜叠加，但这会增长体系的体积。更为高效的方案是接纳平面光学元件，如动态可调的PBOEs，这些元件能于差异的帧中调治差异颜色的相位延迟，但需要高帧率显示器配合以免颜色疏散。此外，数字赔偿技术经由历程图象预处置处罚批改色差，但其高功耗及盘算需求也是一年夜挑战。为了进一步解决PBOE的色差，研究者摸索了重叠PBOEs、联合半波片或者全息薄膜等技术，但这些要领往往会致使光学效率降低、鬼影征象及颜色串扰等问题，且制造上的切确节制仍旧是一个难题。是以，于解决色差的条件下，怎样于性能、繁杂性及效率之间找到最好均衡，依然是AR/VR光学体系亟待解决的要害难题。
由美国中佛罗里达年夜学吴诗聪(Shin-Tson Wu)教授及上海交通年夜学李燕教授配合领导的团队于液晶光子学领域取患了首创性进展，尤其是于增强实际(AR)/虚拟实际(VR)显示技术及成像光学方面的运用。近期，他们提出了一种新型的多扭曲结构(图1(c))，有用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体系、成像技术及显示技术的未来生长带来了巨年夜潜力。
为相识决Pacharatnam-Berry透镜(PBLs)中的色差问题，研究团队设计了三种专门针对于RGB颜快盈VIII官网-色的PBL，每一种PBL都具备不异的焦距。虽然这一要领可以有用削减色采掉真，但也面对了串扰问题，即当RGB颜色堆叠时会致使光丧失及鬼影。为此，研究职员开发了窄带PBLs，每一种PBL仅对于红、绿或者蓝光相应，如图2(a~c)所示。例如，专为红光设计的PBL仅放年夜或者缩小红光影像，而不会影响蓝光及绿光。经由历程这类方式，RGB颜色之间的色差患上以消弭，如图2(d)所示。接纳多扭曲结构后，该团队优化了各层的厚度及扭曲角度，实现了对于每一种波长的切确相位延迟，有用消弭了串扰及色差。经由历程激光投影仪的试验验证，证实了这一设计的有用性，每一个窄带PBL仅调制其目标颜色，如图2(e~g)所示。将三种窄带PBL重叠后，RGB光束被融会成靠近完善的白色图象，色差年夜年夜削弱，如图2(h)所示。
图2 (a)红色PBL、(b)绿色PBL、(c)蓝色PBL及(d)叠加的消色差PBL对于入射RGB光的光学相应。试验结果展示了(e)红色PBL、(f)绿色PBL、(g)蓝色PBL及(h)叠加的消色差PBL对于RGB激光投影仪的成像体现。
进一步拓展研究，该团队另有开发了更厚的窄带PBOE，对于RGB波长实现了跨越500:1的对于比度。经由历程于OpticStudio中联合严酷耦合波分析(RCWA)及偏振光线追踪，团队验证了该要领于激光、LED及量子点光源下的优秀色差校订性能，如图3所示。
整体而言，本研究提出并验证了一种基在多扭曲结构的窄带PBOEs新要领，该要领有用消弭了色差并实现了高效率的无串扰的消色差PBOEs，同时连结了紧凑的形态。经由历程试验及偏振光线追踪验证，该要领可以或许有用消弭激光投影仪下的PBOEs色差；于利用具备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于比度跨越500:1的窄带PBOEs，进一步挖掘了多扭曲结构的潜力。值患上留意的是，该要领不受RGB波长选择或者液晶质料双折射色散的限定，提供了高度的设计自由度，适用在差异的光源及液晶质料。整体而言，本要领展示了高光学效率、低制造繁杂度及广泛的设计自由度，对于在种种液晶质料及RGB光源的PBOEs运用具备巨年夜的潜力。
图3 利用三种高对于比度窄带PBD的消色差PBD体系的偏振光线追踪。(a) RGB激光投影仪的光谱；(b) 利用激光投影仪的消色差PBD的成像图象；(c) 利用激光投影仪的未消色差PBD的成像图象；(d) RGB LED光源的光谱；(e) 利用RGB LED光源的消色差PBD的成像图象；(f) 利用RGB LED光源的未消色差PBD体系图象；(g) RGB量子点LED光源的光谱；(h) 利用RGB量子点LED光源的消色差PBD的成像图象；(i) 利用RGB量子点LED光源的未消色差PBD的成像图象。
研究团队简介
吴诗聪教授是中佛罗里达年夜学光学与光子学院的讲座教授。他于南加州年夜学获得物理博士学位，于中国台湾年夜学获得物理学士学位。他是美国国家发现家研究院首届院士(2012年)，以和佛罗里达发现家名人堂的首批六位入选者之一(2014年)。此外，他获得的奖項包罗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)及 SID Jan Rajchman Prize (2008年)。他的研究小组专注在增强实际(AR)及虚拟实际(VR)，包罗光学引擎(LCOS、mini-LED、micro-LED 及 OLED)、光学体系(光导、衍射光学及投影光学)及显示质料(液晶、量子点及钙钛矿)。今朝，课题组内共有十名博士生，一位硕士生及一名本科学生。
吴教授课题组的学生曾经屡次获奖。于2021年，熊江浩及尹坤划分获得了 ILCS-FRL钻石奖及铂金奖。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，罗桢埸及丁玉强划分获得SPIE AR/VR/MR光学设计挑战赛第一位及第三名.
2023 Meta研究职员拜候该课题组
课题组主页：
https://lcd.creol.ucf.edu/Default.htm
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