Opto-Electronic Advances
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为了减小液晶覆硅系统的体积，中佛罗里达大学吴诗聪教授课题组与Meta合作，提出了一种超紧凑的照明系统，采用光波导设计以有效地将来自光源的光引导到液晶覆硅面板上。其轻薄的体积和高光学效率将进一步促进液晶覆硅显示技术在轻便和低功耗的增强现实智能眼镜中的广泛应用。
第一作者：罗桢埸 博士生
通信作者：吴诗聪 教授
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研究背景
随着微型显示技术、超薄成像光学系统以及高速数字处理器的蓬勃发展，增强现实(AR)和虚拟现实(VR)已经从一个未来的概念演变为触手可及的产品。这种新奇的显示设备不仅拓展了我们的感知视野，还超越了传统平板显示的限制，引领更深层次的人机交互。不同于虚拟现实的完全沉浸式体验，增强现实能够更直观地将数字内容叠加在现实世界上，在教育、培训、零售、营销和导航等领域有着广泛的应用可能。增强现实技术可以通过各种设备进行体验，包括智能手机、平板电脑和智能眼镜。其中，研究人员相信智能眼镜将成为未来的最佳选择，因为它们提供了无与伦比的便利性和沉浸感，将数字内容无缝地融入现实世界。
增强现实智能眼镜通常由两个主要部件组成：负责生成数字图像的光机，以及用于传递生成内容到人眼的光学系统。光机需要非常紧凑以实现轻薄的智能眼镜系统，同时也需要保持高光学效率来实现长时间舒适佩戴。液晶覆硅(LCoS)是一种成熟的微型显示技术，具有高亮度和低成本的优点。液晶覆硅是一种反射式微显示器，通常包括液晶覆硅面板、光学投影系统和照明系统。传统的液晶覆硅系统受限于其大体积的照明系统，通常为偏振分束器立方体，如图1(a)所示。因此，优化液晶覆硅的照明系统对于促进其在智能眼镜中的应用至关重要。
本文亮点
为了减小液晶覆硅系统的体积，中佛罗里达大学吴诗聪教授课题组与Meta合作，提出了一种超紧凑的照明系统，采用光波导设计以有效地将来自光源的光引导到液晶覆硅面板上。由发光二极管阵列光源发出的光被入射棱镜耦合到光波导中，如图1(b)所示。由于在顶部和底部表面的全反射，被耦合的光被困在光波导内。在传播时，部分光线进入如放大图中所示的波导下方的提取棱镜。剩余的光继续在光波导中向前传播。提取棱镜内的光通过棱镜倾斜表面的另一次全反射被反射向底部液晶覆硅面板。液晶覆硅面板能够调控单个像素的偏振状态，并将入射光反射回光波导。大多数具有编码信息的反射光透过光导板和顶部的偏振器，最终进入光学投影系统，然后被耦合到增强现实系统中。
图 1. (a) 传统的液晶覆硅显示采用偏振分束器立方体作为照明光学器件。(b) 提出的新型液晶覆硅显示采用光波导作为照明光学器件。
研究人员还对系统结构进行了多处优化以提高整体性能。例如，提取棱镜被分成几个具有不同提取棱镜排布密度的区域以确保照明的均匀性(如图2所示)，并对各个组件的尺寸进行了优化，以实现优异的照度均匀性和高对比度，使得其对比度优于液晶覆硅面板的对比度。此外，该系统在玻璃材料的折射率色散影响下依然显示了出色的色彩性能。这样轻薄的体积和高光学效率将进一步促进液晶覆硅显示技术在轻便和低功耗的增强现实智能眼镜中的广泛应用。
图 2. (a) 提取棱镜被分成几个具有不同排布密度的区域。(b) 均匀的输出光照明。
该工作以“Ultracompact and high-efficiency liquid-crystal-on-silicon light engines for augmented reality glasses”为题发表在Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 2024年第10期。
研究团队简介
吴诗聪教授是中佛罗里达大学，光学与光子学院的讲座教授。他在南加州大学获得物理学博士学位，在台湾大学获得物理学学士学位。他还入选了美国国家发明家研究院院士（2012年），以及佛罗里达发明家名人堂的首批六位入选者之一（2014年）。此外，他所获的奖项包括 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（2010年）、SPIE G. G. Stokes（2008年）和 SID Jan Rajchman（2008年）。他的课题组专注于增强现实（AR）和虚拟现实（VR），包括光学引擎（LCoS、mini-LED、micro-LED 和 OLED）、光学系统（光导、衍射光学和投影光学）和显示材料（液晶、量子点和钙钛矿）。
目前，吴教授的课题组有9名博士生，1名硕士生，1名本科生和2名访问学者。吴教授的学生曾多次获奖：丁玉强获得2023年度JSID期刊学生杰出论文奖。杨谦在2023年获得了SPIE光学与光子学教育奖学金。钱翼舟在2023年获得了SID Metro Detroit学术奖。罗桢埸在2023年获得了FRLR-ILCS（Facebook Reality Lab Research–International Liquid Crystal Society）钻石奖（第一名）。罗桢埸在2024年获得了SPIE AR/VR/MR光学设计挑战赛的第一名。丁玉强在2024年获得了SPIE AR/VR/MR光学设计挑战赛的第三名。
吴诗聪教授课题组
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Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊，创刊于2018年3月，已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录，影响因子15.3，位于JCR Q1区，中科院一区。由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OEA主要报道光电领域的前沿创新科研成果。期刊栏目包括原创论文、综述和快讯等，欢迎投稿！
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编辑 | 曾晚婷 张诗杰
审核 | 杨淇名
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