摘要：衍射液晶光学是虚拟现实和混合现实的一种很有前途的光学元件,它为人类因素和人体工程学提供了超薄的形状因素和轻量级。然而,它的严重色差给全色显示应用程序带来了巨大的挑战。在本研究中,我们展示了一个消色差衍射液晶器件,以克服这一长期的色差问题。该器件由三个堆叠的衍射液晶光学元件组成,具有专门设计的光谱响应和极化选择性。仿真和实验都验证了这个概念。我们的实验结果表明,两种类型的光引擎--激光投影机和有机发光二极管显示屏--的成像性能有了显著的改善。另外,仿真结果表明,与常规宽带衍射液晶透镜相比,横向色移减小了100倍。可预见的是,VRS支持的元计算、空间计算和数字双生子的潜在应用已在智能旅游、智能教育、智能医疗、智能制造和智能建筑等领域得到广泛应用。

导言
作为下一代移动平台的一个有前途的候选人,混合现实(mm),如苹果视觉和元寻宝(两者都是通过虚拟现实(vr)耳机),有可能革命性地改变我们感知和互动各种数字信息的方式。通过与数字信息进行更直接的互动,他是元宇宙、空间计算和数字双生子的关键推动者之一,在智能旅游、智能医疗、智能制造和智能建筑等领域有着广泛的应用。 1 , 2 , 3 , 4 , 5.为了进一步提高这些近眼显示器的人体因素和人体工程学,必须改善整体用户体验,特别是长期穿着舒适性。为了实现这一目标,迫切需要超常规的形式因素和轻量级因素。

折射光学,如聚合透镜,产生基于光程差的相位差。在近年来的近眼显示装置中,折射光学作为光学组合体和成像光学的应用仍然十分广泛。 6 , 7 , 8 .另一方面,衍射光学可以提供一个更薄的形式因子,但其色散度一般比折射光学更明显。折射光学和衍射光学的另一个不同之处在于它们的色差行为是相反的 8 .让我们以镜头为例。用于图所示的折射透镜。 1a 焦距取决于透镜介质的折射率。根据透镜制造商的公式,在入射的红、绿、蓝(RGB)光中,红色的折射率最小,焦距最长,而衍射透镜的次序反过来如图所示。 1b 描写。原因是对于衍射透镜来说,衍射角与波长成正比.这意味着,红色波长将有一个更大的角度,即。,焦距比绿色和蓝色短。将衍射光学与折射光学相结合,是降低色差的一个优雅方法。 8 .然而,该系统中需要修正的色差来源于折射光学,而衍射光学作为补偿器。因此,整个系统仍然庞大而沉重。元表面作为非色差衍射光学提供了一个巨大的潜在解决方案,但目前孔径仍然相对较小。 9 , 10 , 11 .此外,成像质量和复杂的制造过程仍有待克服。因此,在保持紧凑型和大孔径的同时实现高质量的消色差成像仍然是一个巨大的技术挑战。如果能够解决上述问题,衍射光学的实际应用将是一个广阔的前景。

无花果。1:不同透镜的色差。
图1
A 折射透镜和 b 一种用于RGB波长的衍射透镜

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液晶显示器如今无处不在,从虚拟现实的微显示光引擎到大屏幕电视 12 , 13 .除了显示之外,LCS在衍射光学领域也具有很大的潜力。在不同类型的衍射光学中,基于液晶的泛光学元件(Pboes,又称几何相位光学元件)因其孔径大、重量轻、制造过程简单而脱颖而出。 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19.折射光学利用光路差来产生相位模式,而液晶型pboes则不同,它是图案化的半波板(hwps),通过满足沿厚度方向的半波条件(通常为可见光的几个微米)来产生所需的相位模式。这些液晶型Pboes具有高衍射效率(近100%)、容易制造、极化选择性和动态开关等优点,使其成为近眼显示应用的有前途的候选应用。然而,pboes的衍射角取决于波长,而波长反过来又导致严重的色差。

基于lcb的pboe可以被看作是一个图案化的半波板块,其基本原理可以用琼斯矩阵表示法来描述。 20 , 21 .在实验中,我们使用了机器-泽德干涉仪(MZI)来制造Pboes。反圆极化的双波束MZY的干涉图案呈线性极化,空间分布如下:

EXP ( 我 α ) [1− 我 ] + EXP ( 我 β ) [1我 ] = 2 EXP ( 我α + β2)⎡⎣⎢原因 (α − β2)有罪 (α − β2)⎤⎦⎥
(1)
其中A和正象是分别使用的两个圆极化光在MZY中的相位轮廓。相位模式可以表示偏转器,透镜或其他剖面取决于系统设计。在这里,我们介绍了作为方位角的等离子体=(A--等离子体)/2,它可以通过在干涉平面上放置对极化状态敏感的光致对准(PA)材料来记录。然后,将双折射的LC单体混合物在PA膜上展开,形成一个均匀的LC层。LC分子沿方位角方向排列,LC层可被看作是延迟的相位延迟剂。 D 在哪里? D是LC层厚度,是双折射,是波长。当圆极化光撞击LC相位延迟器时,可以使用琼斯矩阵计算出出光的极化状态如下:

12–√[原因 θ− 有罪 θ有罪 θ原因 θ ] [e− 我 ϕ / 200e我 ϕ / 2 ] [原因 θ有罪 θ− 有罪 θ原因 θ ] × [1我 ] =2–√4×e− 我 ϕ / 2 × ( ( 1 +e我 ϕ ) [1我 ] +e− 2 我 θ ( 1 −e我 ϕ ) [1− 我 ] )
(2)
在这里,我们把重点放在EQ右侧的两个圆极化术语上。( 2 )。与入射光束相同的第一个术语是零阶传输及其强度 0 等于 2 (等/2)。相反手的第二个术语是一级传输及其强度 1 等于罪 2 (ϕ/2) 18 , 22 .因为人居中心是由 D 通过正确选择这些参数,我们可以设计具有理想光谱的PboE。

等于( 2 )可进一步简化当LC层厚度时 D 满足所需波长的半波条件。在这样的情况下,三便士,和情商。( 2 )减至:

12–√[原因 2 θ有罪 2 θ有罪 2 θ− 原因 2 θ ] [1± 我 ] =12–√[1∓ 我]e± 2 我 θ
(3)
简化的eq中只存在表示一级传输的术语。( 3 )。当一个圆极化光通过LCT型pboe时,不仅极化状态被交换,而且输出光束也获得一个额外的正或负的2等相位,并可以重建记录的相位模式。

图形 2 说明了常用的基于LCT的pboes的极化依赖行为:泛星偏转器(pbd)和泛星偏转透镜(ppl)。当线性极化(LP)光撞击pbd时,RCP和LCP将会偏转到相反的角度,如图所示。 2a 描写。同时,输出光束在pbl后可以根据图中显示的极化状态进行分叉或收敛。 2b .两个圆极化的光响应可以通过简单地旋转pbl来逆转。

无花果。2:pboes的极化依赖性响应。
图2
A a和 b a多溴联苯醚。线性极化、RCP右圆极化、LCP左圆极化

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本文通过将三片Pboe膜堆叠在一起,提出了一种色差衍射LC光学元件。具体而言,我们设计了适合于控制入射RGB光极化状态的液晶Pboes光谱。利用极化选择性的优势,基于液晶的pboes对不同的颜色提供了理想的负或正相位补偿,而这反过来又纠正了色差。通过仿真和概念验证实验验证了该方法的有效性。仿真结果表明,所设计的消色差LC透镜系统将横向色移减小了100倍左右,与之相比,在50°场角下的宽带衍射LC透镜,该透镜对应于一个虚拟现实耳机的100°视场(Fov)。我们的新方法克服了衍射光学长期存在的色差问题,这将加速这些衍射元件在先进显示系统中的实际应用。

结果
在此基础上,我们建立了一个由图中三个组分组成的消色差衍射LC光学系统。 3 .该系统可同时应用于偏转器和透镜。本文以消色差衍射LC透镜系统为例,阐明其工作原理。为了简单,但又不失去一般性,让我们假设输入是一个LCP光。无花果树。 3a 说明,LCP灯(实线)首先通过宽带pbl,这是有效的所有RGB灯。这种宽带Pboe可以利用多扭结构获得 23 , 24 .这种宽带pbl为输入的RGB光束提供不同的光学功率。结果,出现严重的色差,如图1。 3a 显示。红光的光功率最高,蓝光的光功率最低。此外,RGB光的极化态在经过宽带pbl后被转换为RCP(虚线)。

无花果。3:我们提出的消色差LC衍射透镜的工作原理。
图3
红绿灯的光响应 A broadband PBL, b B HWP, C 多溴联苯醚,以及 D 我们提出的消色光色谱衍射透镜系统。在这里,实线代表LCP,虚线代表RCP

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第二个组件是具有一致相位轮廓的BHWP;其功能如图所示。 3b.BHWP放在宽带pbl之后。这样的一个BHWP只设计用来将蓝光的极化状态从RCP转换为LCP,但对红光和绿光没有影响。从理论上讲,这样的HWP也可以设计为只对红灯有效。然而,根据我们的模拟结果,这种优化的RHWP不仅在设计的波长LM=639纳米上显示出近100%的效率,而且在OM=457纳米上也显示出大约20%的效率,这可能会由于极化杂质而产生严重的幽灵图像。相比之下,对于457纳米的优化bHWP显示不到5%的极化转换效率和在639纳米附近的更广泛的低效率波段,这是首选的,因为虚拟光引擎(LCD或OLED)可能有30NM的排放带宽。

第三个组成部分是rbpl,它只对红蓝灯有效。当BHWP控制极化状态时,红光(RCP)和蓝光(LCP)的手向性会在到达经常性的pbl之前发生相反的变化。由于极化选择性,经常性的pbl发散红光,但聚合蓝光,如图。 3c 显示。如图所示,将这三个pbob堆叠在一起。 3d ,实现了我们的消色光衍射光学系统。每个pboe的厚度只有几微米,这就保证了整个系统的紧凑形式。

本文所提出的系统的消色差性能,是由宽带和rb元件及其光谱之间的数值关系共同决定的。因此,该设计同样适用于偏流器和透镜。为了简单起见,我们在这里用一个基于lcc的pbd作为例子来证明一个非色差lc偏转系统的概念。图形 4a 描述了系统的光学布局和模拟结果。入射的RGB灯经过宽带pbd后,被衍射到不同的角度。衍射角( θ )取决于波长( λ )详情如下:

有罪 θRλR=有罪 θGλG=有罪 θBλB
(4)
无花果。4:消色差LC偏转系统的模拟。
图4
A 光学布局, b 源的排放光谱, C 模拟1 标准的 -宽频带建设项目、中频带建设项目和BHWP项目的订单效率及其模拟结果。 D 宽带多溴联苯醚和 e 我们提出的消色差系统包括25%的蓝色,32%的绿色和43%的红色。

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接下来,引入了一个BHWP来转换蓝光的极化状态。结果是,在到达rbpd之前,红光和蓝光呈现相反的手。结果表明,RB后的衍射角对红光为负,蓝光为正。不同的衍射角可以通过适当的设计来补偿。图中给出了用于模拟的光源的发射光谱. 4b ,分别为r=639纳米、g=524纳米和b=445纳米。表中列出了正常入射的每个分量的模拟衍射角 1 .

表1在指定的RGB波长上模拟每个PBE的衍射角
大号桌
除了衍射角外,光谱对色差性能也起着重要的作用。第一类 标准的 -图中绘制了宽频带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、宽带带、 4c .不同于传统的在波长上具有振荡传输光谱的PboE,宽带PBD具有多旋结构,在可见光谱范围内表现出高效率。用lc反应性中膜细胞rm257(含n=0.179)时,其厚度为8.7倍。厚度为3.6英寸的BHWP光谱用实心蓝线表示。从无花果。 4c ,部分绿光的极化状态也会被BHWP逆转。幸运的是,ppd只会偏转蓝光和红光,所以绿光的极化状态不会引起进一步的色差。图中说明了宽频宽带多溴联苯醚的仿真结果。 4d .正如预期的,RGB灯偏转到不同的角度,导致严重的色差。在使用了B、B、B和B后,图中的偏转角。 4e对于所有进入的RGB灯都是一样的,展示了我们设计的有效性。模拟光效率分别为62.4%、59.8%和53.1%.这种光损耗主要源于宽带PBD的极化转换不完全。如前所述,具有单LC层的常规pboes可以将单色入射光的圆极化转化为相反的手,效率接近100%。然而,为了实现宽带频谱的多旋结构,极化转换是不完整的。在输出光束中,LCP和RCP并存。为了消除宽带pbdd极化转换不完全引起的幽灵图像,我们可以使用两个圆极化器(cps)来吸收不需要的手,将在实验部分稍后讨论。

除了模拟外,我们还通过实验演示了一个消色差LC衍射透镜系统。该透镜系统与偏转系统相似,由三部分组成,即宽带pbl、BHWP和经常性pbl。考虑蓝光和红光的输入波长,正确地选择这两个光圈的焦距,以完全消除色差问题。为了获得所需的相位模式,我们使用MZI记录了光校准层上的干涉模式,该干涉模式对我们之前讨论过的入射光束的极化状态是敏感的。

图形 5a描述曝光过程的光学设置。利用分束器(BS)首次将准直激光束(OM=457纳米)分裂成两束。然后用两个四分之一波板(Qwps)将每一个光束转换成相反的圆极化。将一个带透镜相位图案的光束与另一个准直光束重新组合,以应对第二个BS对样品的干扰。聚焦点与基片沿光轴的距离是曝光焦距。在大多数情况下,曝光波长不同于操作波长,因为我们的光定位材料的吸收峰位于蓝光或紫外光范围。但是,根据设计的不同,所制造的pboes对绿光或红光是有效的。光功率K与Pbls波长的近似关系如下:

Ke X P O s eλe X P O s e=KRλR=KGλG=KBλB
(5)
无花果。5:制造工艺。
图5
A 用于制造多溴联苯醚。 b Pboes制造流程图。液晶层结构 C 宽带铅透镜, D B HWP, and e 红绿色

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图中说明了pboes的制造过程。 5b .首先,光校准材料被溶解,并在清洁的玻璃衬底上纺丝。明亮的黄色(通过;一种有机重氮染料)和SD1(磺酸染料1)是两种常用的光校准材料。 25 , 26.无论是SD1和SD1都提供了优秀的光校准质量。然而,正如其名称所示,显示出轻微的黄色,这可能会影响显示的图像的清晰状态。另一方面,SD1在实际应用中表现出较好的稳定性。在我们的概念防试验中,我们选择它仅仅是因为它是商业上可获得的,并且它提供了一个优秀的摄影校准质量。随后,在MZI中使用了458-NM激光曝光了光标层。宽带多溴联苯醚的曝光焦距分别为5厘米和28厘米。设计用于在不引入任何相变的情况下改变极化状态的BHWP暴露在准直线极化光下,显示出均匀的相位轮廓。利用反应性介素RM257形成旋转涂层后的均匀LC层.最后,pboes暴露在紫外线下以保持稳定。聚合后,它们的热性能,如温度相关的双折射,是非常稳定的。此外,紫外光稳定性是液晶器件的另一个问题.幸运的是,对于虚拟现实应用来说,在液晶显示光引擎中的紫外线成分,如液晶显示器和硅上的OLED,是极其薄弱的。此外,在玻璃衬底上制备了LC层,有助于阻止有害的入射紫外线,如果有的话。因此,紫外线对LC透镜的影响可以忽略不计。UV稳定性是液晶器件的另一个问题。幸运的是,对于虚拟现实应用来说,在液晶显示光引擎中的紫外线成分,如液晶显示器和硅上的OLED,是极其薄弱的。此外,在玻璃衬底上制备了LC层,有助于阻止有害的入射紫外线,如果有的话。因此,紫外线对LC透镜的影响可以忽略不计。UV稳定性是液晶器件的另一个问题。幸运的是,对于虚拟现实应用来说,在液晶显示光引擎中的紫外线成分,如液晶显示器和硅上的OLED,是极其薄弱的。此外,在玻璃衬底上制备了LC层,有助于阻止有害的入射紫外线,如果有的话。因此,紫外线对LC透镜的影响可以忽略不计。

这些pboes的传输光谱决定了元素的工作范围,因此,它们对消色差系统也是至关重要的。特别是,第一pbl应该是宽带和有效的所有输入RGB灯。为了实现这些目标,我们使用了一个多旋结构,总LC层厚度约为3.1倍 23 .图中说明了宽带多路宽带的LC层结构。 5c .在LC混合物中采用手性掺杂剂有助于在第一层和第三层建立螺旋结构。HWP和RB的光谱受EQS所述原理的制约。( 2 ) and ( 3 ),当LC层厚度和LC双折射共同决定光谱时。计算结果表明,用RM257型带N=0.179,BHWP的最优厚度应在6.7m左右,以改变蓝光的极化状态,同时保持红光的手。同样地,经常性pbl的最佳厚度大约为8.7欧姆,这使得它对蓝色和红色是有效的,但对绿灯是无效的。图中展示了BHWP和RBBBL的LC层结构。 5d, e .在底层衬底上,LC导演遵循光标模式。表中列出了用于R=639纳米、G=524纳米和B=445纳米极化选择性的多溴联苯醚焦距 2.由于在设计的系统中只使用了两种Pbls来消除红光与蓝光之间的功率差,所以绿光的光学功率可能与其他两种颜色略有不同。这可以通过选择一个适合绿光的波长来解决,以确保所有三种颜色具有相同的功率。

表2为RGB光设计的Pbls焦距
大号桌
我们进行了模拟,并测量了pboes的传输光谱,结果如图所示。 6 以及相应的偏振光学显微镜图像。测量0的设置 第 -图中是pboes的有序传输图。 6a, b 分别。发射出的光在经过pboe之前,由CP转换成圆形极化。对于液晶透镜,1 标准的 -有序衍射光被聚合或分离,无法被光谱仪收集,所以我们只能测量0 第 -有序传输。图中显示了这三个pbo的偏振光学显微镜图像。 6c–e .从无花果。 6f ,宽带pbl在可见区域显示最小的泄漏,表明大部分光是被宽带pbl衍射的。为了测量BHWP的极化转换效率,我们在PBE上方添加了同样手的另一个CP(Qwp+LP)。 6b 显示。通过Pboe的光被Qwp转换为线性极化,然后通过线性极化器传输。第一类 标准的 -B-HWP将传输光转换为相反的手,最后被第二个CP以与第一个CP相同的手吸收。图形 6g 描述了在模拟光谱的同时测量到的HWP的极化-转化效率。图形 6h 显示模拟和测量的0 第 -----------------------------------------------------------协议还算不错。蓝色和红色地区有两个山谷,表明一个高 标准的 -这两个光谱带的有序衍射效率。大多数绿光没有衍射。因此,rbpl只对蓝光和红光有效。此外,我们发现在524纳米处的绿灯的极化状态被BHWP部分切换。然而,无论绿光的极化状态如何(如0所示),rbppl都无法为绿光提供任何光功率。 第 -多环多溴联苯二甲酸酯的有序传输光谱(图)。 6h ).

无花果。6:预制pboes的特性。
图6
测量0的装置 第 -订单 A broadband PBL, RB PBL and b b工作方案。偏光光学显微镜图像 C broadband PBL, D B HWP, and e 红细胞。模拟和测量的 f broadband PBL, g B HWP, and H 红绿色

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堆叠式消色光衍射透镜系统由三个接触平面单元组成,整个系统的总厚度约为3~4mm。然而,大部分的厚度来自于使用的玻璃基板(1毫米厚),因为所有的三个LC成分都是在这些玻璃基板上纺丝的。每个LC层的有效厚度只有几微米。因此,色差系统的形式因素可以通过使用更薄的衬底为每个组件制造更薄。现在,超薄(<100m)玻璃基板是可以在市场上买到的.

在测量了所制备的pboes的光谱和效率后,我们用两个光源(索尼mp-cl1a,图)评估了消色光LC衍射透镜系统的成像性能。 7 )以及智能手机的OLED显示器(图1)。 8 )。所获得的结果与采用宽带pbl的结果进行了比较,后者表现出了从衍射光学预期的严重色差。图形 7a 展示了激光投影仪测量的发射光谱(黑线)。在图中所示的投影系统中。 7b ,激光投影机的输出光束在经过堆叠的消色差LC透镜系统之前,首先被准直。该系统产生的真实图像被投射到一个白色的表面上,投射的图像被一个相机在黑暗的环境下拍摄。图中清楚地观察到宽带pbl引起的严重色差。 7c .颜色性能不符合实际应用的要求.

无花果。7:实验用激光投影机作为光引擎。
图7
A 使用的激光投影仪和高强度工作方案的光谱, b 使用激光投影机进行成像的光学装置, C 利用宽带的pbl捕捉图像, D 利用我们的消色差LC镜头系统捕捉图像, e 利用我们的消色差LC透镜系统,用两个圆形极化器来消除幽灵图像,以及 f 优化了BHWP的传输光谱后捕捉图像

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无花果。8:实验使用OLED显示器作为光引擎。
图8
A 使用OLED板的发射光谱, b 使用OLED面板的成像过程的光学装置,利用宽带pbl C 23 O 和 e 43 O Fov。利用我们的消色差LC镜头系统 D 23 O 和 f 43 O Fov

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接下来,我们评估了我们提出的消色差LC透镜系统在同一配置下的性能。无花果树。 7d显示,色差被戏剧性地抑制。然而,在中部地区的不希望的红色斑点降低了我们的消色差系统的成像性能。这些点是来自高强度激光投影机的零级幽灵图像。产生幽灵图像的另一个原因是宽带pbl的极化转换效率不是100%。如前所述,当一个圆极化光通过一个常规的基于LCT的pboe时,输出光束不仅获得一个额外的相位,而且极化状态也被交换。原理上,极化开关的效率可以达到近100%。然而,由于采用了多旋结构,我们的宽带pbl的极化转换效率无法达到100%,这表明在宽带pbl之后的输出光束中存在一小部分不希望的圆极化光,最后产生了幽灵图像。为了消除幽灵图像,我们使用了两个圆形极化器(CPS)来吸收不需要的光。每个CP由一个线性极化器(LP)和一个Qwp组成。我们按下列顺序将两个CPS堆叠在一起:,线性极化器的一边面对面。为了简单起见,这两个CPS可以合并为一个:Qwp/LP/Qwp。Qwp/LP/LP/Qwp,即,线性极化器的一边面对面。为了简单起见,这两个CPS可以合并为一个:Qwp/LP/Qwp。Qwp/LP/LP/Qwp,即,线性极化器的一边面对面。为了简单起见,这两个CPS可以合并为一个:Qwp/LP/Qwp。

对两个线性极化器的光轴进行了仔细的排列,使其平行。然后,我们把这个元素放在宽带pbl之后吸收不需要的圆极化。改进后的成像结果如图所示. 7e 红幽灵的形象被完全消除了。然而,蓝色幽灵图像仍然存在,这是由于我们的B-HWP和激光投影机之间的光谱不匹配造成的。在我们最初的设计中,BHWP对蓝光的效率应该是很高的,但对红光的效率应该是很低的。Pboes的光谱由半波条件决定,半波条件取决于LC双折射率和LC层厚度。图中所使用的BHWP的传输光谱。 7e 显示为图中的红线。 7a .为了测量这样一个B型HWP的效率,我们把样品放在两个用同一手的圆极化器之间,并向同一方向排列。理想情况下,投影机(445纳米)蓝光下的BHWP的透光率应为0,这表明极化状态是完全变换的。但就像无花果。 7a 显示,仍然有大约20%的蓝光泄漏,这是负责在图中观察到的幽灵图像。 7e .我们还注意到,BHWP的效率仅约85%,这意味着极化状态不纯,也可能产生幽灵图像。我们之所以没有看到图中的红鬼图像。 7e 是三重的:1)红光的幽灵图像尺寸比蓝光大,2)它的减弱速度更快,其强度比蓝光弱得多。为了消除蓝色幽灵,我们制作了另一个BHWP,以更好地匹配光谱的激光投影仪在445纳米,如蓝色曲线图。 7a .捕获的图像如图所示. 7f ,那里的蓝色幽灵形象被大量抑制。

除了激光投影仪,我们还研究了非色差行为的OLED面板,其发射FWWM(全宽的一半最大)更宽,如图。 8a 描写。活动矩阵OLED已被用于索尼的游戏站,而微型OLED已被用于苹果的视觉支持。为了证明这一概念,我们使用了OLED智能手机作为光引擎,尽管它由于辐射锥太宽而不是虚拟现实的理想来源。OLED面板被放置在成像透镜的焦点位置,这样产生的图像是虚拟的,如图所示。 8b .在实验中,我们首先测试了宽带pbl的成像性能。如图所示,出现严重的色差。 8c, e ,而相应的财政预算为23 O 和43 O 分别。这种强色差产生于波长依赖光功率的衍射pbl。因为OLED面板的发射光谱。 8a 与激光投影仪不同的是,我们制作了另一种长32厘米的焦距的激光投影仪,以与OLED的蓝色光谱相匹配。然后,我们评价了我们提出的消色差系统的性能用新的经常性pbl。捕获的图像如图所示。 8d, f .正如所料,色差被显著地抑制了。无足轻重。 8f,我们仍然可以看到一个非常暗淡的色散在左和右边缘。这是因为OLED智能手机的设计有一个广泛的视角。如果我们能够缩小OLED面板的发射锥,弱色差就可以消除。

与上述投影仪系统不同的是,在OLED系统中很少观察到幽灵图像。主要原因是这两个系统的成像过程不同。投影仪系统在白色屏幕上形成真实的图像。入射光被准直,蓝色流散光仍然可以投射到屏幕上,形成清晰的真实图像,因为投影距离对投影系统来说是相当灵活的。然而,OLED系统中的图像是虚拟的,信号和幽灵的图像平面处于不同的位置。特别是,OLED面板被放置在成像透镜的焦点附近,这样两个成像平面之间的距离可以相当远。考虑到我们相机的焦距有限,蓝色幽灵无法在探测器上形成清晰的图像。因此,我们几乎看不到OLED系统中的幽灵图像。

我们的方法适用于激光投影机和OLED光引擎。值得一提的是,成像空间中的场角与非色差透镜系统上的入射角不同。无花果树。 8b 结果表明,物体空间的入射角比成像空间的入射角小得多.对于虚拟现实系统显示屏边缘像素发出的光,只有极角较小的发射锥才能最终到达瞳孔 27 .我们系统中的Fov目前受到 f /制造的多溴联苯醚#在我们的实验中,这些pboes的直径大约是16毫米,相当于 f /# of 2.7.

从实际应用的角度来看,广宽的Fov对近眼显示是非常可取的。因此,为了获得所提系统在大型FOVS下的消色差性能,我们利用ZEMAX进行了模拟分析。在模拟中使用了50°的大场角,相当于100°Fov。图中绘制了结果。 9 在这里,我们比较了我们所提出的消色差LC衍射透镜系统的性能和宽带pbl的性能。

无花果。9:模拟侧色移。
图9
光学布局 A 宽带pbl系统和 b 我们提议的系统。标尺杆是1厘米.侧向色移 C 宽带pbl系统和 D 我们提议的系统

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用连续ZEMAX模式的全息图表面来模拟衍射光学的色散。在我们的实验中,结构波长和焦距可以很容易地定义为相同的条件。利用全息图表面模拟宽带pbl。图形 9a 展示了宽带pbl系统的光学布局,其中RGB射线显示不同的路径,说明了衍射光学中色差的根本原因。每个布局中的组件是瞳孔、成像光学和从左到右的显示面板。利用相同实验构造条件下的两个全息图表面,实现了消色差LC透镜系统。图形 9b 展示了我们所提议的系统的光学布局,其中RGB射线遵循几乎相同的路径,表明色差被显著抑制。此外,我们对图中显示的颜色性能进行了定量分析。 9c, d .在这些数字中,绿灯被用作参考。以宽带为例。 9c ),当场角增加时,蓝光和红光的侧移逐渐增加。在50°时,红光的侧移超过4.5毫米,蓝光超过3毫米。相比之下,在我们提议的系统中,这种变化小于40毫米。改进大约是大场角的100倍。

讨论
… f 我们制造的镜头系统是2.7。有能力用一个更小的 f /#已被证实 28 , 29 , 30.因此,大孔径Pbls的制造是可行的。用半波条件测定了BHWP、RB和BBL的光谱。我们的实验室只有rm257双折射率是0.179。如果我们能够使用更高的双折射反应介质,那么所需的LC层厚度就会减小,以达到半波条件。一个更薄的LC层不仅需要较少的时间的纺织过程,而且导致更好的LC校准。其结果是提高了pboe效率,从而抑制了实验中观察到的幽灵图像。除了优化反应介质和制造工艺外,使用位于pboes高效率区域内的带有较窄Fwm的微显示器也有助于减轻幽灵图像。带有较小的观察锥的显示装置 O vs. ±80 O 对于用于虚拟现实系统的OLED智能手机来说,由于入射角的增加,pboes的效率降低,我们所提议的LC透镜系统的消色差行为也得到了改善。

衍射LC透镜的图像质量主要由曝光过程中的相位图案决定。优化相位模式可以提高LC透镜系统的成像性能.在我们的实验中,用一个单透镜的机器-赞德干涉仪来展示无色差行为,限制了相位图案的设计自由。另一种叫做直接书写的相位图案方法可以提供更复杂的相位图案的校准能力 31 .另一方面,由于离轴入射光在LC光学上引起的极化转换不完全,也会降低图像质量,特别是在场的边缘区域。大场角下的极化杂质会产生杂散光,从而降低图像的对比度。幸运的是,人类眼睛的敏锐度在凹区达到了最高值,并随着场角的增加而迅速下降。 32 .因此,尽管在大入射角下,光透镜在大入射角下不能达到突出的图像质量,但考虑到小凹区域,它们仍然是可接受的。

我们的方法可以扩展到其他类型的衍射光学,不显示极化选择性响应作为pboes,保持相同的极化状态的输出RGB光后衍射光学。这是很容易从发射方面或在衍射光学之后添加一个圆形极化器,然后使用具有适当相位轮廓的BHWP和RBBPL(或PPS)来修正色差。

目前,虚拟现实耳机、菲涅耳透镜和煎饼透镜是两大成像光学。杂散光是菲涅耳透镜的一个大问题,因为它的表面有凹槽。此外,长的物体距离也会导致更大的形状因素。因此,煎饼透镜 6 , 18已经开发出减少形式因素,并应用于最新的mr耳机,如元搜索支持和苹果视觉支持。为了在一个大的Fov中获得良好的成像质量,煎饼透镜被设计成胶合的双片甚至三片来纠正单色畸变。然而,固结煎饼透镜也受到折射光学的缺点,如体积大的形状因素和重。幸运的是,薄烤饼透镜和我们的消色差LC透镜都是极化依赖的,可以组合,以减少形式因素和重量。具体而言,消色差LC透镜可以代替瞳孔附近的屈光镜。与此同时,我们的LC透镜有可能实现更复杂的相位模式,以纠正畸变直接写入系统的对准。

总之,我们提出了一个消色差的LC衍射光学系统来克服长期存在的色差问题。通过对偏流系统的仿真和透镜系统的实验,验证了该概念的有效性。该系统由三个具有专门设计的光谱响应的铅光学元件组成,通过对LC层厚度的精确控制实现。我们的实验结果表明,在不同的光引擎中,包括激光投影仪和OLED面板的成像性能有了显著的改善。仿真结果表明,相对于传统的宽带pbl,侧向色移减少约100倍。感谢极化选择性铅光学元件的使用,我们的新方法使消色差成像性能,同时保持超薄形状因子。这一进展有望为更紧凑的光学元件打开一扇新的门,用于光束转向、成像和显示应用。

物质和方法
材料
我们实验中使用的光导材料是来自东京化工公司的亮黄色。有限公司粉末溶于二甲基甲酰胺,重量浓度为0.2%。混合溶液过滤前,用一个0.2-m特氟龙注射器,在玻璃衬垫。该LC混合物由溶剂甲苯和前驱体组成,其中含有江苏海生先进材料有限公司购买的LC单体RM257。表面活性剂有限公司,来自杜邦8857A,以及来自巴斯F的光引发剂IRGCER651。

方法
1毫米厚的玻璃基板是从费舍尔科学公司购买的。用乙醇清洗衬底,然后用紫外线-臭氧处理5分钟,然后用溶液包裹。将环境湿度控制在40%以下。 33 .玻璃衬底上的一层被暴露在一次459纳米的激光器中(科波特扭转) 万吨 ),输出功率为2分钟。我们在热板阶段对LC混合物进行加热,然后随着温度的增加而降低粘度。为了保证LC层的均匀性,在实验中将涂层速度保持在2000RPM以上,而LC混合物的稀释比在1:3到1:5之间。我们也把在热板上面的LC层,就在纺纱过程后几秒钟,以获得更好的校准。表中概述了详细的配方