利用新颖的薄饼光学系统彻底改变下一代VR和MR显示器

增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)拓展了感知视野，带来了更深层次的人机交互，超越了传统平板显示器的限制。

这一演变开启了一个令人兴奋的新可能性领域，包括元宇宙、数字孪生和空间计算，所有这些都在智能教育和培训、医疗保健、导航、游戏、娱乐和智能制造等不同领域得到了广泛的应用。

为了使AR、VR和MR显示器真正实现长时间可穿戴，迫切需要紧凑时尚的外形、轻量化和低功耗。与菲涅尔透镜和折射透镜相比，基于偏振的折叠光学器件(通常称为薄饼光学器件)在过去几年中已成为紧凑型轻量级VR头显(包括AppleVisionPro和MetaQuest3)的关键突破。

这些薄饼光学器件极大地减小了VR显示器的体积，从而改善了头显的重心。然而，所采用的半透半反镜会造成相当大的光学损耗，这将最大效率限制在25%。因此，研究人员正在致力于开发一种新颖的光学结构，该结构具有与薄饼透镜相同的折叠能力，但没有光学损失。

《Opto-ElectronicAdvances》上发表的一篇新文章的作者广泛探讨了光引擎、成像光学以及AR、VR和MR显示器的功耗。本文提出了一种改变游戏规则的薄饼光学系统，可减少VR和MR显示器的体积，同时保持高效率。

这项研究背后的动机是对可穿戴VR/MR耳机的需求不断增长，这些耳机不仅在视觉上令人印象深刻，而且长时间使用也很舒适。目前采用传统薄饼光学器件的VR耳机面临着光学效率低等挑战，这反过来又导致耳机的热效应增加，并且由于半反射镜引起的巨大光学损耗而导致电池寿命缩短。

如图1(a-b)所示，只有大约25%的光(假设没有其他损失)从显示面板到达观察者的眼睛。然而，如果微显示器发射非偏振光，则最大光学效率进一步降低至12.5%。未使用的光要么被耳机吸收，这会增加热效应，要么成为杂散光，这会降低图像质量。

新颖的薄饼光学系统通过引入理论上的无损设计来解决这一挑战，该设计在反射式偏振器之间结合了不可逆偏振旋转器(也称为法拉第旋转器)，如图1(c-d)所示。在这种设计中，不可逆偏振旋转器在折叠光路中起着关键作用。

与互易偏振旋转器(例如，半波片)相比，非互易偏振旋转器旋转线偏振光，而与光波的传播方向无关，如图2所示。因此，通过不可逆偏振旋转器的前向和后向传播的往返导致2θ的净旋转。

使用激光源和微型OLED面板进行了初步实验，以验证其光学效率和折叠能力，分别如图3(a)和(b-c)所示。由于缺乏增透膜且所用反射偏光片的性能不理想，测得的光学效率约为71.5%。

采用高性能反射偏光片和增透膜后，光学效率提升至93.2%，接近理论预测。此外，在这种新颖的薄饼光学系统中分析了四种可能的重影图像。通过识别这些重影图像的根本原因，提出了新的方法来提高图像对比度。此外，还提出了多层结构来拓宽法拉第旋转器的带宽，以实现全彩显示。

如图3(d-f)所示，三个序列的不可逆偏振旋转器和四分之一波片足以实现宽带光谱响应。最后，为了实现大视场和真正紧凑的外形，本文对薄膜磁光材料的一些可能候选材料进行了分析和讨论。

总体而言，这些演示展示了这种新颖的薄饼光学系统具有轻量、紧凑的外形和低功耗的特点，可以彻底改变下一代VR和MR显示器。对无磁、高透明、同时在可见光区域具有大维尔德常数的薄膜法拉第旋转器的迫切需求预计将激发未来下一轮磁光材料的开发。

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