北京理工大学研发面向可变焦VR显示的衍射透镜消色差技术
衍射透镜消色差技术
（映维网Nweon 2026年01月19日）根据中国激光杂志社，北京理工大学程德文与熊江浩团队提出了一个面向可变焦VR显示的突破性消色差可变焦光学架构，首次采用两片独立可控的液晶可变焦PBL，通过协同调控实现变焦与全色散补偿同时完成。设计打破了衍射光学“难以兼顾变焦与消色差”的传统局限，并嵌入主流pancake光学系统中进行验证。
随着虚拟现实与混合现实技术在教育、医疗、工业和娱乐等领域的广泛应用，近眼显示系统正朝着高分辨率、轻量化以及长时间舒适佩戴的方向快速演进。然而，在这一发展过程中，一个长期困扰行业的关键瓶颈始终难以有效解决，即辐辏-调节冲突（Vergence-Accommodation Conflict，VAC）。VAC会引发视觉疲劳、眩晕甚至沉浸感削弱等问题，严重影响用户体验。因此，能够动态呈现真实视深线索的可变焦显示，逐渐成为学术界和产业界公认的未来方向。
在现有的可变焦实现路径中，基于液晶Pancharatnam-Berry透镜（PBL）的电控可变焦方案因超薄厚度、快速响应速度、相位工程灵活性与高集成度而备受关注，被视为最有潜力进入消费级VR产品的衍射光学技术之一。然而，PBL属于典型的衍射光学元件，其焦距与波长呈反比，因而具有极强的色散特性。这导致RGB波段的焦点分离明显，在图像中表现为存在明显彩边、模糊和像质下降。尽管传统折射式光学可以通过复杂的消色差设计缓解这一问题，但衍射光学的固有色散特性使其难以直接用于高质量可变焦VR成像系统。
针对这一核心矛盾，北京理工大学程德文教授和熊江浩副研究员团队提出了一种具有突破性的消色差可变焦光学架构。该方案首次采用两片具有独立可控能力的液晶可变焦PBL（Varifocal PBL, v-PBL），为系统引入两个额外的成像自由度，使得可变焦调节与全色散补偿能够同时实现。这一设计从根本上打破了衍射光学“不可兼顾变焦与消色差”的传统认知，为下一代超薄、高性能VR光学模组提供了全新的技术路径。
研究团队首先通过解析模型揭示了双v-PBL架构的关键物理机制：单片v-PBL在调焦的同时会不可避免地引入波长依赖的色散，因此无法在整个可见光范围内维持RGB同焦；而双v-PBL可以通过两片透镜之间的协同调控，实现不同波长处的相位补偿，使RGB波段焦点重新重合。这一原理表明，实现可变焦条件下的消色差，需要额外的光学自由度，而双v-PBL恰好提供了实现这一目标的参数空间。
基于上述理论基础，研究团队将双v-PBL嵌入到真实的三片式pancake光学系统中；Pancake光路因光路折叠结构，体积显著缩小，是当前VR行业主流的超薄光学架构。然而pancake系统对入射角与偏振状态高度敏感，一旦存在残余色散，其视觉影响会被进一步放大。因此在紧凑光路中维持高像质对系统设计提出了更高要求。团队通过全局光学优化，对系统的MTF、横向色差、畸变以及96°视场下的成像性能进行了系统分析。仿真表明，与传统单片v-PBL系统相比，双v-PBL架构可实现约42倍的横向色差抑制，并在全视场范围内保持高对比度和高分辨率成像。
为了进一步验证设计的可行性，研究团队制备了实际的液晶PBL样品并搭建了VR原型系统。实验结果显示，在1D、2D、5D等典型焦距下，双v-PBL系统的图像均维持锐利的边缘、统一的色彩与显著减弱的色边，其成像表现与仿真高度一致。与传统pancake系统和单片v-PBL系统相比，双PBL架构在亮度一致性、细节还原、像素边缘锐度和色彩准确性等方面均有明显提升。这一结果表明，该方案不仅具备理论优势，更具有高度的工程可实施性。
通信作者熊江浩副研究员表示：“衍射光学在VR领域中的最大挑战一直是色散问题。本研究通过引入两片可独立调控的PBL，首次证明可变焦与消色差并非互斥，而可以在紧凑pancake光路中同时实现。这一结果为衍射式液晶光学在高性能VR近眼显示中的应用奠定了坚实的技术基础。”
相关论文：Eliminating chromatic aberrations of diffractive lenses in varifocal virtual reality displays
展望未来，团队将从多个方向继续推进该技术体系的发展。首先，将探索覆盖100°-120°超大视场的消色差设计，以满足下一代沉浸式VR对视场角度的需求；其次，将研究多扭曲、多层结构的PBL元件，提高宽带效率与角度稳定性；最后，计划开发高效率偏振转换器件，并探索全电控连续可变焦，进一步提升系统光效与动态性能。这些工作将推动衍射可变焦光学从实验验证迈向产业化，使其在VR/AR设备中发挥更重要的作用。
