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面向3D增強現(xiàn)實(AR)眼鏡的波導全息顯示

MEMS ? 來源:MEMS ? 2024-01-14 10:23 ? 次閱讀
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隨著對下一代計算平臺的不懈追求,近眼顯示技術(shù)正在迅速發(fā)展。尤其對于增強現(xiàn)實(AR)應用,近幾十年來已經(jīng)發(fā)明并探索了多種透視近眼顯示架構(gòu),例如:Birdbath顯示、曲面鏡型顯示器、視網(wǎng)膜投影顯示器和Pin mirror顯示器等。在眾多架構(gòu)中,波導圖像組合器(或出瞳擴展波導)由于其緊湊的形狀尺寸,仍然是目前增強現(xiàn)實眼鏡的主要候選方案。為了實現(xiàn)具有逼真視覺體驗的3D全息顯示,業(yè)界付出了巨大的努力。

作為一種近眼顯示應用,波導圖像組合器指的是一種薄而透明的平板,其以全內(nèi)反射(TIR)模式引導光,并復制出射光瞳以傳送到用戶的眼睛。這些波導可以使用不同類型的光耦合元件來設(shè)計。幾何波導使用板內(nèi)部的部分反射表面來重新引導并提取波導中的光。衍射波導可以利用表面浮雕光柵、體布拉格光柵、偏振光柵以及超構(gòu)表面或幾何相位元件作為輸入/輸出耦合器。TIR傳播可使光路不受阻礙的固定在波導中,同時不需要將體積龐大的投影器或成像光學器件放置在用戶眼前。波導顯示的圖像投影器通常位于鏡腿側(cè),具有無限校正透鏡,可以提供高分辨率圖像。波導最獨特的優(yōu)點是其通過光瞳復制的光學擴展量(étendue)擴展能力。這提供了具有相當大視場的動眼框(eyebox),這些優(yōu)勢使波導顯示器成為近年增強現(xiàn)實顯示的領(lǐng)先技術(shù)。

盡管波導顯示器具有諸多優(yōu)點,但仍存在一些局限性有待解決。首先,波導只能傳輸固定的深度,通常是無限共軛圖像。如果將有限共軛圖像投影到波導中,光瞳復制過程會產(chǎn)生不同光路和像差的副本,從而產(chǎn)生嚴重的重影噪聲,這通常被稱為焦點擴散效應。業(yè)界研究了雙成像或多成像平面波導結(jié)構(gòu),但這會導致更大的形狀尺寸和降低的性能,以及增加的硬件限制。此外,由于波導圖像組合器的效率低,采用microLED等傳統(tǒng)光源實現(xiàn)足夠的亮度存在挑戰(zhàn)。盡管激光光源可以大大降低耦合效率的損失,但它們與波導的結(jié)合使用仍然受限,因為在TIR傳播期間相干光相互作用會導致偽影和顯著的圖像質(zhì)量下降。

同時,全息顯示技術(shù)被認為是終極的3D顯示方案,其利用空間光調(diào)制器(SLM)來調(diào)制光的波前,還提供了其它獨特優(yōu)勢,例如無像差、高分辨率圖像、每像素深度控制、眼視差深度提示、視力校正功能以及大色域。近年,計算機生成全息圖(CGH)渲染領(lǐng)域取得了許多進展,越來越受到業(yè)界的關(guān)注。全息顯示器的幾個傳統(tǒng)問題,例如散斑、圖像質(zhì)量以及高計算負載,已被證明可借助增強的CGH渲染模型以及新型圖形處理單元(GPU)強大的計算能力得到解決。然而,由于光學擴展量有限,為近眼全息顯示器設(shè)計緊湊的架構(gòu)仍然是有待解決的問題。視網(wǎng)膜投影類型的設(shè)計已經(jīng)用位于鏡腿側(cè)的全息投影器進行了探索。然而,即便使用機械瞳孔控制,此類配置的空間和角帶寬也有限,無法將足夠的光學擴展量從鏡腿側(cè)傳輸?shù)侥跨R。因此,實現(xiàn)符合人體工程學設(shè)計的眼鏡形狀和尺寸成為巨大挑戰(zhàn)。

此前已有嘗試利用波導作為照明源,通過具有嵌入全息圖案的出耦合器光柵形成投影圖案或圖像。由于只能顯示靜態(tài)圖像,并且在耦合輸出之前波導內(nèi)部不攜帶任何信息,所以這種方案不適合增強現(xiàn)實顯示應用,但是,這代表了將波導和全息圖像結(jié)合在一起的非常早期的嘗試。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹,美國Meta公司Reality Labs Research實驗室的研究人員近期在Nature Communications期刊上發(fā)表了一篇題為“Waveguide holography for 3D augmented reality glasses”的文章。在這項研究中,研究人員提出了一種名為波導全息(Waveguide holography)的緊湊型近眼顯示系統(tǒng),結(jié)合了波導圖像組合器和全息顯示器的優(yōu)點。該方案與過去的研究有著本質(zhì)的差異,它解決了出瞳擴展波導的焦點擴散效應。其核心思想是將出瞳擴展波導內(nèi)的相干光相互作用建模為具有多通道內(nèi)核的傳播。通過基于相移數(shù)字全息術(shù)的復雜波前捕獲系統(tǒng)和算法實現(xiàn)了精確的模型校準。結(jié)果,研究人員證明了可以通過利用該模型調(diào)制輸入波前,以精確控制波導的出耦合波前。

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波導全息架構(gòu)示意圖

研究人員通過實驗驗證了顯示完整3D圖像和光學擴展量擴展的能力,從而實現(xiàn)了軟件控制的大型Eyebox。此外,研究人員還證明了該方案可以提供超出傳統(tǒng)波導顯示器極限的增強分辨率。

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全息波導實驗結(jié)果

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3D顯示效果

研究人員相信,這項研究成果將助推更多的后續(xù)研究,朝著真正的超緊湊3D全息AR眼鏡邁出更堅實的步伐。

論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44032-1

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原文標題:面向3D增強現(xiàn)實(AR)眼鏡的波導全息顯示

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