AR/VR 近眼显示的全息技术

撰稿 | Annicca（英国爱丁堡大学）

增强现实（简称：AR）和虚拟现实（简称：VR）和作为目前大热的虚拟感官交互科技，已逐渐渗入娱乐，教育，医疗等行业。目前实现 AR/VR 技术的主要平台设备是近眼显示（Near-eye display，简称：NED）。（拓展 | 《Light: Science & Applications | AR/VR 显示：新兴光学技术》）

图1：AR/VR 艺术效果图

NED 是玻璃或护目镜式可穿戴显示设备，由微型显示面板和成像光学器件组成，靠近眼睛的微显示面板发出的光通过成像光学器件进行准直，从而在眼睛可以舒适聚焦的远距离处形成虚像。

作为贴近眼睛的可穿戴设备，NED 还需要具有宜佩戴、重量轻、宽视场和较大眼动范围的特点。在 NED 显示中，虚拟图像与真实对象的光学匹配对于其所成的像和用户之间的自然交互非常重要，目前 NED 已经开发了各种光学器件来实现 AR/VR NED 满足这些要求。

然而，在一般情况下，用于 NED 的大块透镜和反射镜光学器件不满足目前对 NED 所提出的重量和形状的要求，难以实现可穿戴和美观兼备。并且 NED 每个微显示面板的简单二维（2D）图像将虚像平面固定在一个特定距离上，从而阻碍了虚像与真实场景的精确光学匹配，导致目前 NED 的穿戴观看体验不舒适。

近年来，全息技术在 AR/VR NED 中的应用引起了广泛关注，未解决上述问题提供了有效的解决方案。

鉴于此， 韩国仁荷大学 Jae-Hyeung Park 与韩国首尔大学 Byoungho Lee 联合，在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了“Holographic techniques for augmented reality and virtual reality near-eye displays”，介绍了应用于 AR / VR NED 的全息技术，并解释了 NED 的基本原理和全息 NED 的特点。

研究人员主要说明了目前的两种重要全息设备对 NED 的技术支撑，分别为静态全息光学元件和动态全息显示设备。还讨论了当前的问题和最新进展，从而全面回顾了全息技术在 AR / VR NED应用中的研究前景。

作为静态光学元件（holographic optical element,简称：HOE），全息设备可以替代传统 NED 。全息设备的最大特点就是薄而轻，它所呈现的薄膜状有助于显著降低  NED 的整体系统外形尺寸。同时，全息元件的多视角和波长选择性让不同功率的光做到空间上的光重叠，使单一元件具有多重光学功能并实现了光学透视能力。

图2：静态全息元件在NED中的应用

作为动态全息设备（dynamic holographic display devices），可以替代传统 NED 的 2D 微显示面板。作为一种动态器件，全息显示模块可以向用户的每只眼睛呈现全息三维（3D）图像。AR / VR NED的微型显示面板可以在面板表面再现空间幅度分布，从而呈现 2D 图像，而全息显示可以通过空间光调制器 (SLM) 调制光的幅度或相位来重建所需 3D 图像的波前信息。它所提供的全单眼对焦线索在提供图像与真实物体的精确光学匹配，同时满足舒适观看的体验，并且不会出现聚散调节冲突 。另外，全息显示的波前重建能力可用于补偿 NED 光学器件的像差，从而减少 NED 中所需的光学元件数量。另外，它还可以补偿眼睛像差，使视力校正显示能够呈现清晰的图像，无需额外的视力校正镜片。

全息 NED 的优势使它们对 AR/VR 应用具有吸引力，对此，作者介绍了全息 NED 技术的最新进展。

眼动范围扩大

一般扩大眼动范围的方式有两种，分别为眼动转向和眼眶复制。

眼动转向通过动态控制空间光调制器（SLM）上的激光照射方向，以控制眼睛前方组合器静态光学元件（HOE）焦点周围形成的眼框位置。激光束由微机电系统 (MEMS) 反射镜反射并由静态光学元件(PSHOE) 衍射，其中记录了点源阵列。衍射光从 PSHOE 中选定的点源位置发散并照亮空间光调制器（SLM）。在眼动转向中，MEMS 镜面角度受到控制，从而在 PSHOE 中选择不同的点源，从而在相应方向上照亮空间光调制器如图 3 所示：

图 3：扩大眼动范围的两种方式

眼眶复制使用静态光学元件（HOE）组合器将生成的垂直长眼框水平复制并平铺在一起。HOE 组合器用作水平多路复用凹面镜，形成眼眶的三个复制品，它们焦点之间的间距被设计成使得眼框平铺而没有重叠或间隙，由此产生的 2D 初级眼眶阵列可以提供更多眼位。

视场延伸

随机相位掩模放置在空间光调制器（SLM）的共轭平面上，从而将衍射角增加到空间带宽积（SBP）极限以上。增加的衍射角会扩大视场范围，从而向用户呈现更大的 3D 图像。

中心点全息显示

因为中心点显示仅在眼睛注视点周围呈现高分辨率图像，而以低分辨率显示外围区域，所以可以通过减少覆盖整个视场所需的像素数量，以实现更高效更快捷的操作。

散斑减少技术

散斑是一种颗粒状的随机空间强度波动，在全息显示中，眼睛分辨率点内的复杂场会产生干扰，从而导致散斑噪声，从而降低图像质量。可以使用随机散斑图案的时间平均技术，在每个子帧中生成具有不同随机相位的相同 3D 图像，从而创建不相关的散斑图案。这些散斑图案通过时间多路复用来平均，从而降低感知的散斑对比度。

基于神经网络的实时真实感全息显示

使用随机场景生成器训练神经网络，生成大型训练数据集，从而有助于提高图像质量。这项技术应用复杂的训练策略，包括在合成随机场景中设计的深度分布、具有遮挡能力的全息图合成算法，以及测量重建 3D 图像体积和中间全息图平面质量的损失函数，通过以上技术可实现高图像质量重建。

论文信息

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

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

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