（映維網(wǎng)Nweon 2022年05月06日）VR頭顯走向主流的一個重要挑戰(zhàn)是形狀參數(shù)。當(dāng)前的設(shè)備相當(dāng)笨重，而且難稱時尚酷潮。所以，行業(yè)社區(qū)一直在致力于解決這個問題。在一份名為《Ultra-thin (2.5 mm) glasses-form factor VR display supporting 3D holographic images》的論文中，英偉達與斯坦福大學(xué)展示了一種用于虛擬現(xiàn)實的超薄全息眼鏡構(gòu)思。
由于VR頭顯一般是基于放大鏡原理，由透鏡放大由微型顯示器提供的圖像，所以這要求設(shè)備提供一定的距離空間以實現(xiàn)圖像放大。行業(yè)目前正在積極探索的一個方向是Pancake折疊光學(xué)元件，通過光路折疊來減少設(shè)備尺寸。不過，它們同樣自己的挑戰(zhàn)，難以提供理想的分辨率和重要的視覺聚焦線索。
傳統(tǒng)頭顯需要在顯示面板和目鏡之間提供一定的距離空間以實現(xiàn)圖像放大
所以，英偉達與斯坦福大學(xué)團隊把目光投向了全息術(shù)，并構(gòu)建了一個厚度只有2.5mm的超薄VR顯示器原型。這個名為Holographic Glasses的全息眼鏡由一個光瞳復(fù)制波導(dǎo)、一個空間光調(diào)制器和一個幾何相位透鏡組成，可以以輕薄的形狀參數(shù)產(chǎn)生全息圖像。
英偉達和斯坦福大學(xué)團隊構(gòu)建的原型
所以，原理是什么呢？我們可以再次回顧上述的放大鏡原理。為了放大圖像，透鏡和微型顯示器之間需要一定的距離，所以常見的VR頭顯一般都是相當(dāng)寬厚。英偉達和斯坦福大學(xué)團隊沒有采用這種方法，而是選擇利用2.5mm厚的光學(xué)疊層來傳送全彩3D全息圖像。
在所述全息眼鏡中，耦合到光瞳復(fù)制波導(dǎo)的相干光源可以為純相位SLM提供照明。然后，SLM在設(shè)備后面創(chuàng)建一個小尺寸圖像，并由細薄幾何相位（GP）透鏡放大。Holographic Glasses的主要核心組件包括：
對于GP透鏡。有頭顯采用菲涅耳透鏡作為目鏡，但團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與相干光源一起使用時，這種光學(xué)元件的鋸齒結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生干涉?zhèn)斡啊Ａ硗猓捎诖蠖鄶?shù)SLM基于LCs，并使用線偏振，所以在整個光路中應(yīng)仔細考慮偏振。所以，研究人員在SLM和GP透鏡之間安裝四分之一波片（QWP），將線偏振輸入光轉(zhuǎn)換為GP透鏡所需的RCP光。然后，透鏡依次將RCP光轉(zhuǎn)換為LCP光。
圖2是Holographic Glasses的示意圖。具有波長 的相干和準(zhǔn)直光耦合到一個厚度為w和折射率w的波導(dǎo)。 然后，光以會聚角c耦出波導(dǎo)。光在線性偏振器進行偏振 ，然后SLM對光進行調(diào)制。SLM具有間距s、 像素數(shù)x×y、 寬s、 高?s的像素。調(diào)制后的光以衍射角s返回給用戶。
由于通過波導(dǎo)的路徑長度不同，耦出光在相位均勻性方面的偏差大于正常偏差，所以難以求解。然而，通過在相位優(yōu)化過程中根據(jù)捕獲的圖像計算損耗，可以使用camera-in-the-loop（CITL）方法來補償這種加擾相位。另外，波導(dǎo)擾亂了偏振，而這可以通過SLM前面的線性偏振器進行校正。
全息眼鏡有兩個在傳統(tǒng)VR顯示器中無法觀察到的明顯特征。第一個是High diffraction order（HDO）。如圖3左側(cè)所示，SLM像素的周期性結(jié)構(gòu)創(chuàng)建HDO。所以，團隊必須在相位計算過程中考慮HDO。于是，他們開發(fā)了一種全新的梯度下降算法，使用Pupil-HOGD和HOGD-CITL算法合成了要顯示的相位全息圖。關(guān)鍵是對HDO的傳播進行建模，從而無需光學(xué)過濾掉HDO就可創(chuàng)建高質(zhì)量的圖像。當(dāng)瞳孔收集來自多個衍射級的光時，這種HOGD傳播對于實現(xiàn)高圖像質(zhì)量至關(guān)重要。
第二個特征來自光瞳復(fù)制波導(dǎo)。因為波導(dǎo)設(shè)計成在一定的入射角度范圍內(nèi)再現(xiàn)光場(i），整個SLM照明的方向可由輸入光束方向控制。如圖3右側(cè)所示，輸入光束的小幅偏轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生動態(tài)視窗。利用一個額外的注視點追蹤器，系統(tǒng)可以通過簡單地改變輸入光束的方向來追蹤注視點并圍繞中葉移動。
如上圖所示，圖7顯示了不同計算機生成全息算法產(chǎn)生的圖像質(zhì)量模擬比較。對于兩種像素間距，英偉達和斯坦福團隊開發(fā)的全新Pupil-HOGD算法能夠在所有光瞳大小下產(chǎn)生最佳圖像質(zhì)量。
當(dāng)捕獲到High Order時，HOGD算法的性能第二好，因為它可以優(yōu)化High Order，但由于光瞳的原因，其無法正確建模的部分濾波。SGD算法在捕獲高階時表現(xiàn)第三，因為它可以利用完整的Central Order，但不能對High Order進行建模。值得注意的是，即使完全濾除High Order，SGD算法的性能都有限，因為它沒有對Central Order的部分濾波建模。雙相位振幅編碼（DPAC）算法在瞳孔較小時表現(xiàn)良好，因為它將信號集中在低頻，并將不需要的光發(fā)送到高頻，但在瞳孔較大時表現(xiàn)最差。
總的來說，英偉達和斯坦福大學(xué)團隊構(gòu)建了一種類似眼鏡的VR顯示器。所提出的設(shè)計以光瞳復(fù)制波導(dǎo)、一個空間光調(diào)制器和一個幾何相位透鏡作為核心，并利用這個2.5mm厚的光學(xué)疊層來傳送全彩3D全息圖像。另外，團隊提出了一種全新的Pupil-HOGD梯度下降算法，以根據(jù)用戶不同的瞳孔大小進行正確的相位計算。
相關(guān)論文：Ultra-thin (2.5 mm) glasses-form factor VR display supporting 3D holographic images
需要注意的是，所述的雙目可穿戴原型僅提供22.8度對角線視場，2.3 mm的靜態(tài)和8 mm的動態(tài)視窗，但支持3D聚焦提示，重量僅為60g（不包括驅(qū)動板）而且厚度僅為2.55mm。
另外，團隊坦誠圖像質(zhì)量，光瞳直徑與控制，以及系統(tǒng)集成方面依然存在提升空間，所以接下來研究人員將繼續(xù)致力于優(yōu)化迭代。
值得一提的是，英偉達并非唯一一支探索眼鏡形態(tài)VR顯示器的團隊。例如，Meta曾在2020年展示了一款類似的設(shè)備原型。
如上圖所示，研究人員提出的全新近眼顯示器結(jié)合了全息光學(xué)元件和基于偏振的光學(xué)折疊層。設(shè)備僅采用細薄平面薄膜作為光學(xué)元件，并實現(xiàn)了小于9毫米的顯示器厚度，同時支持與當(dāng)今消費類虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品相當(dāng)?shù)囊晥觯ㄟ@個單綠FOV為 水平92° x 垂直69°）。
