最近发布在《光电进展》上的研究讨论了独特的煎饼光学器件如何改变下一代VR和MR显示器。
除了传统平板显示器的局限性之外，增强现实、虚拟现实和混合现实拓宽了我们的认知，并迎来了更亲密的人数互动。
元宇宙、数字孪生和空间计算只是这种演变开辟的迷人新可能性中的一小部分。这些技术已广泛应用于各行各业，包括智能制造、导航、游戏、娱乐、医疗保健以及教育和培训。
紧凑优雅的外形、轻巧的重量和低功耗是 AR、VR 和 MR 显示器真正实现长时间可穿戴的关键要求。近年来，基于偏振的折叠光学器件已成为 Apple Vision Pro 和 Meta Quest 3 等小型轻量级虚拟现实耳机的重大进步。
这与菲涅耳透镜和屈光透镜形成鲜明对比。具有这种煎饼光学元件的 VR 显示器的体积要小得多，这提高了头戴式设备的重心。然而，由于使用的半反射镜会造成巨大的光学损耗，因此最大效率仅为 25%。因此，一种新颖的光学结构，可以像煎饼透镜一样折叠，即使没有光学损失，也有迫切的需求。
研究人员对AR、VR和MR显示器、光引擎和成像光学器件的功耗进行了深入研究。该研究提出了一种革命性的煎饼光学系统，该系统在降低VR和MR屏幕体积的同时保持出色的效率。
对可穿戴VR/MR头显的需求不断增长，这些头显既美观又舒适，适合长时间使用，这激发了这项研究。目前采用传统煎饼光学元件的VR头显存在光学效率低、会增加头显对温度的影响，以及由于半反射镜造成的显着光学损耗而限制电池寿命等问题。
只有大约25%的显示面板光线到达观察者的眼睛。然而，如果微型显示器产生非偏振光，则最大光学效率会进一步降低到12.5%。未使用的光线要么被耳机吸收，增加热效应，要么变成杂散光，降低图像质量。
为了克服这一困难，创新的煎饼光学系统引入了一种理论上的无损设计，在反射偏振器之间放置了一个法拉第旋转器——一种非往易偏振旋转器。
该系统中的非往易偏振旋转器对于折叠光路至关重要。与往复偏振旋转器相反，非往复偏振旋转器旋转线偏振光与光波的传播方向无关。因此，通过非往易偏振旋转器的前向和后向传播的往返行程获得了 2θ 的净旋转。
为了确认其光学效率和折叠能力，使用激光源和micro-OLED面板进行了初步测试。由于不存在抗反射涂层，并且所使用的反射偏振片的性能不太理想，观察到的光学效率约为 71.5%。
利用增透膜和高性能反射偏振片，光学效率提高到93.2%，几乎达到理论估计值。此外，这种创新的煎饼光学系统可以分析四类潜在的重影图像。
通过确定这些重影的潜在来源，提出了提高图像对比度的新技术。此外，建议采用多层结构来增加法拉第旋转器的带宽，以支持全彩显示。
使用三个序列的非往易偏振旋转器和四分之一波板可以获得宽带光谱响应。该研究分析并讨论了一些潜在的薄膜磁光学材料选择，以获得宽视场和真正紧凑的外形尺寸。
综上所述，这些演示突出了具有轻巧、紧凑外形和低功耗的革命性煎饼光学系统如何彻底改变下一代 VR 和 MR 显示器。
此外，对薄膜法拉第旋转器的迫切需求，该旋转器在可见光范围内具有较大的Verdet常数，无磁性和透明性，预计将刺激未来磁光材料的发展。
