利用液晶可调式主动光束偏转器实现全息近眼显示器中眼箱区域的持续扩展

《Optics and Lasers in Engineering》：Continuous eyebox expansion in holographic near-eye displays using a liquid crystal tunable active beam deflector

全息近眼显示装置通过电调活性液晶光束偏转器实现连续出瞳扩展，克服空间光调制器衍射极限，在保持约9°水平视场角前提下将眼框尺寸扩展至11.8毫米。该方案采用动态光束偏转技术而非被动光学元件，消除瞳孔复制带来的亮度衰减和视觉盲区，提升显示亮度与用户舒适度。

　　本文介绍了一种紧凑型全息近眼显示技术，该技术结合了电控可调的液晶光束偏转器，实现了连续的视场扩展。这一设计突破了传统全息显示系统中视场（FOV）与眼框尺寸之间的平衡难题，通过克服空间光调制器（SLM）的衍射限制，实现了更宽广的视场和更舒适的用户体验。本文的创新点在于利用液晶材料的电控特性，实现光束角度的动态调整，从而扩展眼框区域而不影响视场范围，同时避免了传统方法中因光束分裂导致的亮度下降和光学效率降低的问题。

在现代增强现实（AR）和虚拟现实（VR）应用中，全息近眼显示技术能够将高质量的图像直接投射到用户眼中，从而提升沉浸感和真实感。然而，这一技术的核心挑战在于如何平衡眼框的大小与视场范围。传统SLM的有限空间带宽积（SBP）使得眼框尺寸与视场范围之间存在一定的矛盾：当眼框被扩展时，视场通常会减小，反之亦然。这是因为SLM的像素间距限制了光束的衍射角度范围，从而影响了全息投影的可扩展性。因此，如何在不牺牲视场的前提下扩展眼框成为研究的重点。

为了解决这一问题，研究者提出了多种方法，其中最具前景的是眼框复制技术。这种方法通过创建多个虚拟眼框，使得用户即使在视线偏离中心时也能看到图像。眼框复制技术通常分为被动和主动两种类型。被动方法依赖于静态光学元件，如衍射或折射元件，来复制眼框在多个固定位置。常见的技术包括使用微透镜阵列或全息光学元件（HOE）来在多个方向上扩展眼框。这些方法的优势在于无需任何运动部件，但其缺点是由于同时投影多个视角，导致光源能量被分散，从而降低了每个视角的亮度。此外，被动复制还可能带来鬼影或重复图像的问题，以及亮度不均匀和光学效率低下的问题。

相比之下，主动眼框复制技术利用动态光学元件来实时调整眼框的位置。机械实现方式通常包括使用双轴微机电系统（MEMS）镜或其他可移动的光阑来实现眼框的动态调整。而非机械方法则包括电控可调设备，如液晶光束偏转器或基于偏振的光束引导元件。液晶光束偏转器利用电压控制的双折射或波前相位延迟特性，形成可编程的衍射光栅，从而实现光束角度的电子调控。这种方法避免了机械部件的使用，同时能够实现连续的眼框扩展。

本文提出了一种基于液晶光束偏转器的全息近眼显示系统，该系统能够实现连续、电压控制的眼框扩展。与现有的眼框扩展技术相比，本文的方法具有两个显著优势。首先，通过调整照射到SLM上的光束角度，可以克服传统像素间距带来的衍射角度限制，从而实现眼框的横向扩展，而无需改变SLM的内容。这使得系统能够提供更宽广的动态眼框，同时保持设计的视场范围不变。其次，虽然之前的研究已经探索了连续眼框扩展的可行性，但本文的方法提供了一个独特的优势：利用紧凑的液晶偏转器实现电子调控的光束偏转，从而避免了机械部件的使用。这种方法不仅提高了系统的灵活性，还避免了传统被动复制方法中因同时复制多个眼框而产生的亮度下降和光学效率降低的问题。

在实验部分，研究人员构建了一个概念验证的全息增强现实近眼显示系统，以验证连续眼框扩展方法的有效性。实验装置包括单色激光（532 nm）、准直透镜、线性偏振器、自定义设计的液晶光束偏转器及其驱动电路、反射式相位光调制器（SLM，分辨率为1920 × 1080，像素间距为8 μm）、目镜透镜以及两个光束分束器，用于将光束组合成最终的显示图像。通过实验验证，研究人员确认了该系统能够实现连续眼框扩展，同时保持图像的亮度和高保真度。

在结论部分，研究者总结了本文提出的全息近眼显示系统的设计理念和实现方式。该系统通过使用主动切换的液晶光束偏转器，实现了连续的眼框扩展，同时避免了对视场范围的牺牲。这一方法突破了传统全息显示系统中空间带宽积的限制，使得眼框尺寸与SLM像素间距之间的矛盾得以解决。通过动态调整照射到反射式SLM上的光束角度，系统能够有效克服衍射限制，从而实现更宽广的视场范围和更舒适的眼框扩展。此外，该系统还具有更高的光学效率和更均匀的亮度分布，使得全息图像更加清晰、真实，并且在可穿戴设备中能够更好地适应用户的眼动行为。

本文的研究成果为未来全息显示技术的发展提供了新的思路。传统的被动复制方法虽然在一定程度上能够扩展眼框，但其局限性也显而易见，如亮度下降、光学效率低以及可能的鬼影问题。而本文提出的主动方法则克服了这些缺点，实现了更高效、更灵活的眼框扩展。通过使用液晶材料的电控特性，系统能够在不牺牲视场范围的前提下，实现更宽广的眼框扩展，从而提升用户的视觉体验和沉浸感。

此外，本文还强调了液晶光束偏转器在全息显示系统中的重要性。作为一种可编程的衍射光栅，液晶光束偏转器能够实现光束角度的动态调整，从而扩展眼框区域。这种方法不仅避免了机械部件的使用，还提高了系统的稳定性和可靠性。在实验过程中，研究人员通过调整液晶光束偏转器的电压，实现了光束角度的精确控制，从而验证了该方法的可行性。实验结果表明，该系统能够实现高达11.8毫米的眼框扩展，同时保持9度的水平视场范围，使得全息图像更加清晰、明亮，并且具有更高的用户舒适度。

本文的研究还涉及了全息显示系统的设计和操作原理。通过合理设计液晶光束偏转器的结构和功能，研究人员实现了光束角度的动态调整，从而扩展眼框区域。这种方法不仅提高了系统的灵活性，还增强了全息图像的保真度。在实验验证过程中，研究人员通过实际测试，确认了该系统在不同条件下的性能表现，包括亮度、清晰度和用户舒适度等方面。实验结果表明，该系统能够在保持高亮度的同时，实现更宽广的眼框扩展，从而提升用户的视觉体验。

综上所述，本文提出了一种基于液晶光束偏转器的全息近眼显示系统，该系统能够实现连续、电压控制的眼框扩展，同时保持视场范围不变。这种方法突破了传统全息显示系统中的空间带宽积限制，使得眼框尺寸与视场范围之间的矛盾得以解决。通过动态调整光束角度，系统能够实现更宽广的视场范围和更舒适的眼框扩展，从而提升用户的沉浸感和真实感。此外，该系统还具有更高的光学效率和更均匀的亮度分布，使得全息图像更加清晰、明亮，并且能够更好地适应用户的眼动行为。本文的研究成果为未来全息显示技术的发展提供了重要的参考和启示。