作為下一代移動平臺的有前途的候選品，混合現(xiàn)實(MR)，如Apple Vision Pro和Meta Quest Pro(都是通透虛擬現(xiàn)實耳機)，有潛力徹底改變我們感知和與各種數(shù)字信息互動的方式。

通過提供與數(shù)字信息更直接的互動，MR是元宇宙、空間計算和數(shù)字孿生的關(guān)鍵推動者之一，這些技術(shù)在智能旅游、智能醫(yī)療保健、智能制造和智能建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

為了進一步增強MR顯示器的人為因素和人機工程學，必須改善整體用戶體驗，特別是長期佩戴舒適性。為了實現(xiàn)這一目標，超緊湊的外形因子和輕量級設(shè)備是關(guān)鍵目標。

在發(fā)表在《光：科學與應(yīng)用》雜志上的一篇新論文中，由美國中佛羅里達大學光學與光子學院的Shin-Tson Wu教授和同事領(lǐng)導的一組科學家展示了一種具有超薄外形和輕量級的消色差衍射液晶(LC)光學系統(tǒng)。

a.使用激光投影儀作為光源的單個LC透鏡的成像結(jié)果；b.使用激光投影儀作為光源的提出的消色差LC透鏡系統(tǒng)的成像結(jié)果；c.使用OLED顯示面板作為光源的單個LC透鏡的成像結(jié)果；d.使用OLED顯示面板作為光源的提出的消色差LC透鏡系統(tǒng)的成像結(jié)果。

與使用光路差產(chǎn)生相位圖的折射光學器件不同，衍射LC光學器件通過滿足沿厚度方向的半波條件（對于可見光來說通常是幾微米）來產(chǎn)生所需的相位圖。

這些LC光學器件具有多個優(yōu)點，如高衍射效率(近100%)、易制造、偏振選擇性和動態(tài)切換，使它們成為近眼顯示應(yīng)用有希望的候選者。然而，LC光學器件的衍射角取決于波長，這反過來會導致嚴重的色差，不能用于成像目的。

為了克服這個長期存在的色差問題，同時保持超薄的外形，Wu教授的研究小組提出了一種消色差LC光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三個組件組成，利用偏振選擇性。每個光學元件的傳輸光譜和相位圖都經(jīng)過精心設(shè)計，以控制偏振狀態(tài)和校正色差。

具體而言，對于消色差LC透鏡系統(tǒng)以消除藍光和紅光之間焦距偏移，第一個組件將是一個在可見光譜區(qū)域顯示高效率的寬帶透鏡，第二個組件將是一個半波板，用于切換藍光的偏振狀態(tài)。

最后一個組件是一個具有特殊設(shè)計的傳輸頻譜的LC透鏡，僅對藍光和紅光有效。消色差LC透鏡系統(tǒng)可以通過簡單地將這三個LC組件堆疊在一起來實現(xiàn)。消色差光柵和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)都可以基于相同的原理構(gòu)建。

該概念使用兩種不同類型的光引擎進行了驗證：激光投影儀和有機發(fā)光二極管(OLED)顯示面板。單個LC透鏡的圖像顯示出嚴重的色差，這是由衍射光學的波長依賴性光功率引起的。消色差透鏡系統(tǒng)顯示出顯著改善的顏色性能，其色差被顯著抑制。

​通過適當控制偏振態(tài)，該方法可以擴展到其他類型的衍射光學器件，有望制造出更緊湊的光學器件，并在MR支持的智能交通、智能城市、智能醫(yī)療和智能制造中得到廣泛應(yīng)用。

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