中美团队研发新光学方案PBL以消除AR/VR色差问题

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消色差

（映维网Nweon 2025年01月17日）ARA/VR技术改变了人与数字的交互，为医疗保健、游戏、教育和制造业等一系列的领域带来了新的机遇。然而，广泛采用AR和VR的一个关键挑战在于开发紧凑、轻便和节能的光学系统。

基于LC的Pacharatnam-Berry相位光学元件（PBOE）是一种十分具有潜力的解决方案，它可以实现超薄的外形、高衍射效率、偏振选择性和动态切换能力。然而，色差是PBOE面临的重大挑战。

业界已经探索了数种减轻色差的策略。一种方法是将PBOE薄膜层压到折射透镜上，但这会增加系统的体积。又一种解决方案涉及平面光学元件，它在单独的帧中调制不同颜色的相位延迟，但这需要高帧率来避免颜色分解。另一种方法是数字补偿，即对图像进行预处理以纠正色差，不过，它有着高功耗和计算需求。

进一步的进展集中在提高PBOE和其他光学元件的性能，如波片和全息薄膜。像堆叠RGB窄带PBOE或将其与半波片或全息图相结合这样的技术已经显示出前景，但它们往往会导致光学效率降低、伪影和彩色串扰。另外，制造方面的挑战复杂化了相关方法。尽管取得了进展，但实现性能、复杂性和效率之间的最佳平衡依然是AR/VR光学系统的关键障碍。

针对上述挑战，中佛罗里达大学和上海交通大学团队一直在探索AR/VR显示和成像光学的应用，并推出了一种使用多扭曲结构的变革性解决方案，以解决基于LC偏振的光学器件中的色差问题，并实现消色差的PBOE。这一创新为AR/VR系统、成像技术和显示技术的进步带来了巨大的希望。

为了减轻偏光透镜（PBL）中的色差，团队设计了三种专门的PBL，为具有相同焦距的RGB颜色量身定制。尽管这种方法最大限度地减少了色彩失真，但它在一开始面临着串扰等挑战，亦即当RGB颜色重叠时，会导致光损失和伪影。

为了克服这个问题，研究人员开发了窄带PBL，每个PBL都专门对焦于红色、绿色或蓝色光，如。例如，为红光设计的PBL应该只对焦红光，而不影响蓝光和绿光。这样可以消除RGB颜色之间的色差。

通过采用多扭曲结构，团队优化了各个层的厚度和扭曲角度，以实现每个波长的精确相位延迟，并有效地消除串扰和色差。使用激光投影仪的实验证实了设计的有效性，每个窄带PBL只调制其目标颜色。通过叠加三个窄带PBL，他们将RGB光束合并成近乎完美的白色图像，其残余像差最小。

另外，团队同时探索了较厚的窄带PBOE，在可定制的RGB波长实现了超过500:1的对比度。

相关论文：High-efficiency RGB achromatic liquid crystal diffractive optical elements

总体而言，这种创新的多扭曲结构不仅提高了紧凑性，光学效率和制造简单性，而且为AR/VR显示，成像系统和先进光子学的高性能解决方案开辟了新的途径。