撰稿 | Annicca（英國愛丁堡大學）

增強現(xiàn)實（簡稱：AR）和虛擬現(xiàn)實（簡稱：VR）和作為目前大熱的虛擬感官交互科技，已逐漸滲入娛樂，教育，醫(yī)療等行業(yè)。目前實現(xiàn) AR/VR 技術的主要平臺設備是近眼顯示（Near-eye display，簡稱：NED）。（拓展 | 《Light: Science & Applications | AR/VR 顯示：新興光學技術》）

圖1：AR/VR 藝術效果圖

NED 是玻璃或護目鏡式可穿戴顯示設備，由微型顯示面板和成像光學器件組成，靠近眼睛的微顯示面板發(fā)出的光通過成像光學器件進行準直，從而在眼睛可以舒適聚焦的遠距離處形成虛像。

作為貼近眼睛的可穿戴設備，NED 還需要具有宜佩戴、重量輕、寬視場和較大眼動范圍的特點。在 NED 顯示中，虛擬圖像與真實對象的光學匹配對于其所成的像和用戶之間的自然交互非常重要，目前 NED 已經(jīng)開發(fā)了各種光學器件來實現(xiàn) AR/VR NED 滿足這些要求。

然而，在一般情況下，用于 NED 的大塊透鏡和反射鏡光學器件不滿足目前對 NED 所提出的重量和形狀的要求，難以實現(xiàn)可穿戴和美觀兼?zhèn)?。并?NED 每個微顯示面板的簡單二維（2D）圖像將虛像平面固定在一個特定距離上，從而阻礙了虛像與真實場景的精確光學匹配，導致目前 NED 的穿戴觀看體驗不舒適。

近年來，全息技術在 AR/VR NED 中的應用引起了廣泛關注，未解決上述問題提供了有效的解決方案。

鑒于此， 韓國仁荷大學 Jae-Hyeung Park 與韓國首爾大學 Byoungho Lee 聯(lián)合，在 Light: Advanced Manufacturing 上發(fā)表了“Holographic techniques for augmented reality and virtual reality near-eye displays”，介紹了應用于 AR / VR NED 的全息技術，并解釋了 NED 的基本原理和全息 NED 的特點。

研究人員主要說明了目前的兩種重要全息設備對 NED 的技術支撐，分別為靜態(tài)全息光學元件和動態(tài)全息顯示設備。還討論了當前的問題和最新進展，從而全面回顧了全息技術在 AR / VR NED應用中的研究前景。

作為靜態(tài)光學元件（holographic optical element,簡稱：HOE），全息設備可以替代傳統(tǒng) NED 。全息設備的最大特點就是薄而輕，它所呈現(xiàn)的薄膜狀有助于顯著降低  NED 的整體系統(tǒng)外形尺寸。同時，全息元件的多視角和波長選擇性讓不同功率的光做到空間上的光重疊，使單一元件具有多重光學功能并實現(xiàn)了光學透視能力。

圖2：靜態(tài)全息元件在NED中的應用

作為動態(tài)全息設備（dynamic holographic display devices），可以替代傳統(tǒng) NED 的 2D 微顯示面板。作為一種動態(tài)器件，全息顯示模塊可以向用戶的每只眼睛呈現(xiàn)全息三維（3D）圖像。AR / VR NED的微型顯示面板可以在面板表面再現(xiàn)空間幅度分布，從而呈現(xiàn) 2D 圖像，而全息顯示可以通過空間光調制器 (SLM) 調制光的幅度或相位來重建所需 3D 圖像的波前信息。它所提供的全單眼對焦線索在提供圖像與真實物體的精確光學匹配，同時滿足舒適觀看的體驗，并且不會出現(xiàn)聚散調節(jié)沖突 。另外，全息顯示的波前重建能力可用于補償 NED 光學器件的像差，從而減少 NED 中所需的光學元件數(shù)量。另外，它還可以補償眼睛像差，使視力校正顯示能夠呈現(xiàn)清晰的圖像，無需額外的視力校正鏡片。

全息 NED 的優(yōu)勢使它們對 AR/VR 應用具有吸引力，對此，作者介紹了全息 NED 技術的最新進展。

眼動范圍擴大

一般擴大眼動范圍的方式有兩種，分別為眼動轉向和眼眶復制。

眼動轉向通過動態(tài)控制空間光調制器（SLM）上的激光照射方向，以控制眼睛前方組合器靜態(tài)光學元件（HOE）焦點周圍形成的眼框位置。激光束由微機電系統(tǒng) (MEMS) 反射鏡反射并由靜態(tài)光學元件(PSHOE) 衍射，其中記錄了點源陣列。衍射光從 PSHOE 中選定的點源位置發(fā)散并照亮空間光調制器（SLM）。在眼動轉向中，MEMS 鏡面角度受到控制，從而在 PSHOE 中選擇不同的點源，從而在相應方向上照亮空間光調制器如圖 3 所示：

圖 3：擴大眼動范圍的兩種方式

眼眶復制使用靜態(tài)光學元件（HOE）組合器將生成的垂直長眼框水平復制并平鋪在一起。HOE 組合器用作水平多路復用凹面鏡，形成眼眶的三個復制品，它們焦點之間的間距被設計成使得眼框平鋪而沒有重疊或間隙，由此產(chǎn)生的 2D 初級眼眶陣列可以提供更多眼位。

視場延伸

隨機相位掩模放置在空間光調制器（SLM）的共軛平面上，從而將衍射角增加到空間帶寬積（SBP）極限以上。增加的衍射角會擴大視場范圍，從而向用戶呈現(xiàn)更大的 3D 圖像。

中心點全息顯示

因為中心點顯示僅在眼睛注視點周圍呈現(xiàn)高分辨率圖像，而以低分辨率顯示外圍區(qū)域，所以可以通過減少覆蓋整個視場所需的像素數(shù)量，以實現(xiàn)更高效更快捷的操作。

散斑減少技術

散斑是一種顆粒狀的隨機空間強度波動，在全息顯示中，眼睛分辨率點內的復雜場會產(chǎn)生干擾，從而導致散斑噪聲，從而降低圖像質量?？梢允褂秒S機散斑圖案的時間平均技術，在每個子幀中生成具有不同隨機相位的相同 3D 圖像，從而創(chuàng)建不相關的散斑圖案。這些散斑圖案通過時間多路復用來平均，從而降低感知的散斑對比度。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的實時真實感全息顯示

使用隨機場景生成器訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，生成大型訓練數(shù)據(jù)集，從而有助于提高圖像質量。這項技術應用復雜的訓練策略，包括在合成隨機場景中設計的深度分布、具有遮擋能力的全息圖合成算法，以及測量重建 3D 圖像體積和中間全息圖平面質量的損失函數(shù)，通過以上技術可實現(xiàn)高圖像質量重建。

論文信息

Park et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:9

https://doi.org/10.37188/lam.2022.009

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