美國中佛羅里達大學吳詩聰(Shin-Tson Wu)教授團隊與上海交通大學李燕教授團隊聯合提出了一種新型的多扭曲結構，有效解決了液晶偏振光學元件中的色差問題，實現了消色差PBOEs，為AR/VR系統、成像技術和顯示技術的未來發展帶來了巨大潛力。
增強現實(AR)和虛擬現實(VR)技術正在迅速變革人機交互，推動醫療、游戲、教育和制造等多個領域的發展。要使AR和VR設備真正具備可穿戴性，關鍵在于開發出緊湊、輕便且能效高的光學系統。基于液晶(LC)的Pacharatnam-Berry相位光學元件(PBOEs)(圖1(a))因其超薄的形態、高衍射效率、偏振選擇性以及動態調節能力，成為解決這一挑戰的有力方案。然而，色差問題仍然是PBOEs在實際應用中面臨的主要障礙，如圖1(b)所示。
為了解決色差問題，研究者提出了多種方法。一種方法是將PBOE膜層與折射透鏡疊加，但這會增加系統的體積。更為高效的方案是采用平面光學元件，如動態可調的PBOEs，這些元件能在不同的幀中調節不同顏色的相位延遲，但需要高幀率顯示器配合以避免顏色分離。此外，數字補償技術通過圖像預處理修正色差，但其高功耗和計算需求也是一大挑戰。為了進一步解決PBOE的色差，研究者探索了堆疊PBOEs、結合半波片或全息薄膜等技術，但這些方法往往會導致光學效率降低、鬼影現象和顏色串擾等問題，且制造上的精確控制仍然是一個難題。因此，在解決色差的前提下，如何在性能、復雜性和效率之間找到最佳平衡，依然是AR/VR光學系統亟待解決的關鍵難題。
由美國中佛羅里達大學吳詩聰(Shin-Tson Wu)教授和上海交通大學李燕教授共同領導的團隊在液晶光子學領域取得了開創性進展，特別是在增強現實(AR)/虛擬現實(VR)顯示技術和成像光學方面的應用。近期，他們提出了一種新型的多扭曲結構(圖1(c))，有效解決了液晶偏振光學元件中的色差問題(圖1(d))，實現了消色差PBOEs。這一突破為AR/VR系統、成像技術和顯示技術的未來發展帶來了巨大潛力。
為了解決Pacharatnam-Berry透鏡(PBLs)中的色差問題，研究團隊設計了三種專門針對RGB顏色的PBL，每種PBL都具有相同的焦距。雖然這一方法可以有效減少色彩失真，但也面臨了串擾問題，即當RGB顏色重疊時會導致光損失和鬼影。為此，研究人員開發了窄帶PBLs，每種PBL僅對紅、綠或藍光響應，如圖2(a~c)所示。例如，專為紅光設計的PBL僅放大或縮小紅光影像，而不會影響藍光和綠光。通過這種方式，RGB顏色之間的色差得以消除，如圖2(d)所示。采用多扭曲結構后，該團隊優化了各層的厚度和扭曲角度，實現了對每種波長的精確相位延遲，有效消除了串擾和色差。通過激光投影儀的實驗驗證，證明了這一設計的有效性，每個窄帶PBL僅調制其目標顏色，如圖2(e~g)所示。將三種窄帶PBL堆疊后，RGB光束被融合成接近完美的白色圖像，色差大大減弱，如圖2(h)所示。
進一步拓展研究，該團隊還開發了更厚的窄帶PBOE，對RGB波長實現了超過500:1的對比度。通過在OpticStudio中結合嚴格耦合波分析(RCWA)和偏振光線追蹤，團隊驗證了該方法在激光、LED和量子點光源下的優異色差校正性能，如圖3所示。
總體而言，本研究提出并驗證了一種基于多扭曲結構的窄帶PBOEs新方法，該方法有效消除了色差并實現了高效率的無串擾的消色差PBOEs，同時保持了緊湊的形態。通過實驗和偏振光線追蹤驗證，該方法能夠有效消除激光投影儀下的PBOEs色差；在使用具有20 nm FWHM的量子點LED光源時，仍能實現很好的消色差效果。此外，該團隊設計并研究了對比度超過500:1的窄帶PBOEs，進一步挖掘了多扭曲結構的潛力。值得注意的是，該方法不受RGB波長選擇或液晶材料雙折射色散的限制，提供了高度的設計自由度，適用于不同的光源和液晶材料。總體而言，本方法展示了高光學效率、低制造復雜度和廣泛的設計自由度，對于各種液晶材料和RGB光源的PBOEs應用具有巨大的潛力。
研究團隊簡介
吳詩聰教授是中佛羅里達大學光學與光子學院的講座教授。他在南加州大學獲得物理博士學位，在臺灣大學獲得物理學士學位。他是美國國家發明家研究院首屆院士(2012年)，以及佛羅里達發明家名人堂的首批六位入選者之一(2014年)。此外，他獲得的獎項包括UCF Medal of Societal Impact (2024年), Optica Edwin H. Land Medal (2022年), SPIE Maria Goeppert-Mayer Award (2022年), OSA Esther Hoffman Beller Medal (2014年)， SID Slottow-Owaki Prize (2011年), OSA Joseph Fraunhofer Award (2010年)、SPIE G. G. Stokes Award (2008年)和 SID Jan Rajchman Prize (2008年)。他的研究小組專注于增強現實(AR)和虛擬現實(VR)，包括光學引擎(LCOS、mini-LED、micro-LED 和 OLED)、光學系統(光導、衍射光學和投影光學)和顯示材料(液晶、量子點和鈣鈦礦)。目前，課題組內共有十名博士生，一名碩士生和一位本科學生。
吳教授課題組的學生曾多次獲獎。在2021年，熊江浩和尹坤分別獲得了 ILCS-FRL鉆石獎和鉑金獎。2022年，李閆南琦獲得ILCS-FRL金獎，向恩霖獲得SPIE 獎學金。2023年，楊謙獲得SPIE獎學金。2024年，羅楨埸獲得了ILCS-FRL鉆石獎。同年，羅楨埸和丁玉強分別獲得SPIE AR/VR/MR光學設計挑戰賽第一名和第三名.