显示专题 | 几何相位透镜加成超紧凑增强现实显示（OSA OL）

几何相位透镜加成超紧凑增强现实显示 (OSA OL)

Development of an Ultra-Compact Optical Combiner for Augmented Reality Using Geometric PhaseLenses

本期导读

增强现实（AR）的本质是虚拟内容与现实世界的交流。具体来说，就是在同一个视场里同时呈现虚拟显示和真实场景，通过穿透型近眼显示提供一个沉浸式的AR体验。传统光学合光器（combiner）多采用分光镜、棱镜或者其他波导元件来融合虚拟显示和真实世界。然而，这些器件多存在体积大、视场角小、以及加工困难等问题。鉴于此，来自美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）以及加州大学洛杉矶分校（UCLA）的学者们创新性地提出了一种利用几何相位透镜（GPL）的超紧凑型合光器设计，并展示了基于扫描型Maxwellian-view近眼显示的应用实例，实现了15°视场角的AR显示。整个器件重量仅为50g，厚度为4mm，很好地应用于可穿戴应用。该研究工作近期发表于光学顶级期刊Optics Letter上。

技术路线

该研究工作提出了一种利用波导和几何相位透镜（GPL）的超紧凑合光器用于增强现实显示。其基本思路是通过将平板全息波导夹在两层薄的平板型几何相位透镜之间，从而实现了两个具有不同焦距的光学子系统。两个子系统分别用于显示虚拟物体和穿透环境光，通过控制虚拟物体和穿透环境光的偏振态将两个子系统的叠加实现AR显示。

该研究的超紧凑型合光器主要包含两个模块：体全息波导和置于波导出瞳端的两片几何相位透镜。体全息波导的基本原理如图1(a)所示，体全息光栅将入射光耦入波导，从而让光线在波导内部全反射传播直至耦出端的体全息光栅。通过体全息光栅的衍射效应改变光线传播方式从而耦出波导进入人眼。

几何相位透镜是一种薄的平板型窗口器件，其表面沉积了一种复杂的光取向液晶聚合物（LCP）薄膜。通过在空间上改变几何相移，可以直接将所期望的透镜相位编码到光轴的局部取向，从而得到近乎完美的波前。一般来讲，GPL根据入射光的偏振态的不同具有正负焦距。基于Pancharatnam–Berry（PB）相位特性，当右旋圆偏光（RHCP）输入时，透镜产生一个正焦距，输出光为左旋圆偏光（LHCP）；当左旋圆偏光（LHCP）输入时，透镜则为产生一个相同数值的负焦距，输出光为右旋圆偏光（RHCP）,工作原理如图1（b）所示。从本质上讲，GPL是一种特殊结构的薄膜，其功能类似于理想薄透镜，可显著减少重量和厚度。

图1 波导显示以及几何相位透镜的基本原理

该研究提出的超紧凑型AR显示的基本结构如图2（a）所示。相较于传统波导显示，该系统除了在耦出端的合光器中加入了两片GPL并结合偏振片、波片等偏振调制器件，在耦入端也也加入了针孔以及偏振调制器件与耦出端的偏振态相匹配。

图2 所提出的超紧凑型AR显示结构示意图

作为系统中的关键部件，两片GPL分别位于全息波导的上下两侧，通过偏振调制让穿透的环境光通过两次GPL不产生聚焦效果，形成类似于光学平板的作用；而经过波导传播的虚拟图像信息仅经过一次GPL从而产生会聚作用，形成Maxwellian-view近眼显示，光路图如图2（b）和（c）所示。基于这一设计，该研究构建了原理验证系统，如图3所示。系统利用MEMS反射镜产生60Hz的显示图像，分辨率为500×500，针孔置于MEMS反射镜的共轭位用来滤波。由于GPL和波导均为薄的平板结构，紧密叠加后仅有4mm厚度。由于本系统为Maxwellian-view近眼显示，当人眼对焦在不同距离上，显示图像均为清晰图像，具体实验结果（对焦距离为2.5D, 1D和0D）如图4所示。MTF图像分析如图5所示。    

图3 构建的平台实验验证系统

图4 AR显示（不同深度）效果

图5 不同视场区域AR显示图像定量分析

需要注意的是，该系统采用了Maxwellian-view的显示方式，尽管从原理上可以实现相对大的视场角，但其关键的不足在于系统眼瞳箱（Eyebox）过小，佩戴者需要仔细的调整眼睛的位置去寻找系统出瞳位置来观看图像。在不牺牲分辨率的前提下拓展眼瞳箱（Eyebox）尺寸，是一项极具挑战的研究工作，光学和图形领域近期都有不错的技术方案被报道。本公众号将持续关注，近期即将分享。

作者信息：Wei Cui, Chenliang Chang, and Liang Gao, Development of an ultra-compact optical combiner for augmented reality using geometric phase lenses, Opt. Lett. 45, 2808-2811 (2020)

技术详见:  https://doi.org/10.1364/OL.393550

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