韩国研究员提出空间调制衍射光栅扩展基于HOE的MR头显色域
理论和实验分析的结果证实了所述方法在扩展基于HOE的波导显示器色域方面的有效性和实用性。
（映维网Nweon 2024年06月07日）为了渲染进一步提升沉浸感的内容，MR应用需要具有扩展色域的显示器。波导显示技术是典型的MR解决方案，由于所述技术中使用的全息光学元件（HOE）的固有特性，它成为了MR系统色域的关键约束。
为了克服这一限制，韩国中央大学的研究人员提出了一种通过空间调制衍射光栅来扩展基于HOE的MR头显色域的方法。这涉及使用亚像素化HOE的空间调制，使得红色、绿色和蓝色光线能够沿着相同的方向衍射。所提出的结构考虑了HOE的特性和用户的波长灵敏度以优化色域，从而实现了扩展的色域。理论和实验分析的结果证实了所述方法在扩展基于HOE的波导显示器色域方面的有效性和实用性。
随着Apple Vision Pro等产品的发布，支持MR功能的头显设备正受到市场关注。
光学透视显示器需要透明的图像组合器来有效地合并真实世界和虚拟图像。图像组合器分为两种类型：采用分束器等大型光学元件的Birdbath型；基于衍射光栅等微米或纳米光学元件的 Waveguide波导型。
波导型图像组合器比Birdbath型图像组合器具有更紧凑、更轻的设计，提高了用户的舒适度，并降低了头显的整体重量，所以受到行业的重点关注。
波导型显示器由利用衍射的光学元件组成。衍射光学元件通常包括光栅或全息结构。它们用作波导显示器的耦入器或耦器。这使得来自投影仪的虚拟内容能够通过波导传递到人眼。衍射光学元件可分为表面型光栅、体积型光栅和偏振体积型光栅，它们具有波长选择性，仅衍射其设计的特定波段的光，同时透射其他波长的光。
表面型光栅（SRG）使用电子束图案化、蚀刻和纳米压印等技术制造。然而，SRG面临着易受色散效应影响等挑战，导致颜色分布不均匀和彩虹伪影的出现。
体积型光栅又称体全息光栅（VHG），其特征是由折射率的周期性变化形成的三维结构。VHG的代表性方法是使用基于光聚合物的全息光学元件（HOE）。相干光在HOE相交，形成体积干涉图案，通过调制材料的折射率形成VHG。HOE可以实现为反射或透射元件。VHG中的重影效应是传输型HOE的固有缺陷，而这种现象主要是由杂散光引起。
偏振体积型光栅（PVG）是一种根据光的偏振状态选择性地衍射光的光栅类型。PVG是具有接近100%高衍射效率的基于液晶的光栅。它们使用体积内光学各向异性的空间变化。这种各向异性允许光栅与各种偏振态的光进行不同的相互作用，例如线性、圆形或椭圆形偏振。
SRG和VHG利用光栅的空间周期和倾斜角度来确定光衍射的角度。然而，由于衍射的波长依赖性，所述方法在全色显示器中面临限制。所以，表示设备或系统可以显示的颜色范围的色域受到采用SRG或VHG的波导显示器中固有波长选择性的限制。
为了克服相关挑战，SRG采用了复合微结构来校正色差。但由于环境光衍射，重影图像问题是不可避免的问题。
在研究中，韩国中央大学的研究人员介绍了一种全新的方法，利用具有全息光学元件的空间调制衍射光栅（SMDG HOE）来增强色域：将每个像素划分为多个子像素，每个子像素都设计用于记录特定的波长。这是通过使用屏蔽所有其他区域同时仅记录特定波长的掩模来实现。在使用纳米致动器进行微调后，可以获得不同区域的亚像素记录。
SMDG HOE的基本原理
图1a描绘了设计用于记录具有SMDG图案掩模的HOE的实验装置。在660nm、532nm和473nm的波长下操作和发射的二极管泵浦激光器用作光源。将曝光功率和时间设置为1mW和20s以实现衍射效率的饱和。
团队使用了仅针孔的空间滤波器，通过消除随机强度波动来增强激光束的空间轮廓。为了保持准直不发散，针孔的直径为50μm，远大于波长。随后，偏振分束器与半波片一起实现，以将两个光束的偏振方向与s偏振对准。接下来，将光聚合物基底固定到载玻片之上。沿着参考光束的路径放置棱镜，并使用折射率为1.44的甘油作为折射率匹配介质，以消除棱镜和光聚合物之间的气隙。
如图1b所示，为了对HOE进行空间调制，定位光掩模，从而选择性地允许记录每个特定波长。另外为了最大限度地减少光掩模图案的衍射效应，研究人员通过压电致动器进行微调，最大限度地减小光掩模和HOE之间的间隙。红色虚线框是放大的光掩模，其大小以微米为单位。在记录SMDG HOE之后，将用作匹配流体的甘油完全去除，以确保显示质量没有失真或劣化。
图2描述了掩模对准的概念过程。实验过程分一系列步骤进行。最初，使用压电致动器使SMDG图案掩模和HOE之间的间隙最小化。之后，光聚合物仅在相应的区域暴露于R光束，并且通过使用SMDG掩模内的铬涂层来遮挡所有其他子像素。只有透射通过掩模的光与参考光束干涉，以形成所需的图案。
接下来，通过致动纳米致动器，将G图案刻入光聚合物的单独区域中。在最后的步骤中对光B重复类似的过程。所述方法用于在单个HOE成功记录SMDG图案，促进R、G和B光的衍射，从而拓宽色域。在暴露于R、G和B光束之后，将卤素灯照射10分钟以固定所记录的HOE。
SMDG图案的设计
SMDG图案的设计必须考虑几个因素：像素间距或每英寸像素（PPI）、HOE的光学特性以及人眼或摄像头的光谱响应。
与智能手机、平板电脑和笔记本电脑等传统显示设备不同，由于靠近人眼，头显需要极高的PPI密度。PPI密度不足会导致名为纱窗效应的视觉伪影，其中分隔子像素或像素的细线变得可感知，从而减损沉浸式体验。头显通常要求PPI超过2000，这意味着单个像素的尺寸不得超过12.7μm。
为了减轻纱窗效应，团队将子像素间距（psub，R，psub，G和psub，B）配置为3μm。所以，总像素间距（p）为9μm，等于三个子像素间距的组合宽度，而像素的高度设置为9μm，与总像素间距对齐。
给定1.5cm的记录光束大小，HOE内记录像素的总分辨率约为1666 × 1666，超过光束投影仪的分辨率，从而防止图像质量的任何降低。HOE内对应的SMDG图案可以通过定制的光掩模设计来实现。
图3描绘了具有相同亚像素间距的光掩模图案的三等分版本。在掩模图案内，黑色区域表示铬涂覆区域，白色区域表示未涂覆区域。空间调制通过这些掩模图案来实现，仅穿透未涂覆区域，并且由涂覆区域阻挡。然后，透射的光与光聚合物相互作用，并与参考光束干涉，从而实现图案记录。使用这种方法，通过空间调制在单个HOE记录三个光（R、G和B）。
图4a显示了波导显示器的示意图，其中将光聚合物膜粘贴到宽26 mm、长76 mm、高1 mm的载玻片的两端。图4b描述了当R、G和B波长的入射平行光入射到由SMDG配置的HOE引导的波导时的结果。
团队使用Zemax软件进行了射线追踪分析，并确认R、G和B射线所遵循的路径一致，同时沿着相同的方向传播。这个模拟代表了采用HOE三等分版本的波导显示器，其中观察到的损耗归因于R、G和B波长在单个单位像素的色散，每个单位像素仅占光谱的三分之一。
研究人员同时通过投影输入图像进行了图像模拟，如4b图所示。可以观察到输入图像的R、G和B分量忠实地透射，而光强度仅降低了三分之一。这种损失是由HOE内的三等分结构引起，可归因于相应子像素区域的细分，导致R、G和B光束在每个单位像素内以1/3的比例衍射。
HOE通常表现出与波长相关的特性，其中透射率和吸收率随波长而变化。针对这一点，团队使用与图4a相同的设置进行了模拟，并应用了本研究中使用的光聚合物的光学特性。
图5描述了效率谱，它是输入和输出光束强度的比值。显然，由于HOE的固有光学特性，R、G和B光谱带的效率是不均匀的，其中R波段表现出相对较高的效率，而B波段表现出较低的效率。
效率之间的不均匀性将导致色域变窄，这限制了显示系统的颜色表示范围。
所以，研究人员通过调整单位像素内的子像素间距尺寸（psub，R，psub，G，psub和B）来补偿三个频带之间的效率差异。假设R、G和B波段的效率分别约为5.3%、8.4%和26.0%，团队设计了如图6a所示的TCB-HOE。
在保持单位像素间距（p）的同时，将psub，R设置为2μm，并将psub、G和psub、B分别增加到3μm和4μm。图6b描述了基于TCB-HOE的波导显示器的模拟效率。R、G和B波段的效率非常一致，分别为8.4%、8.7%和8.8%。这表明通过微调子像素节距显著减小了三个频带效率之间的差异。所以，检测器接收作为三个均匀带谱的叠加的波导显示器的输出，从而增强整体颜色再现。
另一个关键因素是接收设备（人眼或摄像头）的光谱灵敏度。对于人类，感知R、G和B波长的三种类型的视锥细胞分别称为短（S）、中（M）和长（L）视锥。每种类型的锥体都对特定的波段敏感，并具有独特的灵敏度水平，从而形成了所谓的三刺激反应。所以，人眼可以感知具有相同强度和不同强度的光。
在研究中，为了展示色域扩展的潜力，团队专注于CCD相机的光谱响应，而不是人眼。
图7a描述了所用CCD相机的光谱响应（以虚线表示的SR（λ）、SG（λ）和SB（λ）），这表明对B、G和R波段的最大灵敏度分别约为44%、52%和37%。
如图7a所示。由于每个波段的波导显示器输出强度可以通过调整子像素来调节，所以优化感知水平B（λ，G（λ），R（λ）同样是可行的，这分别指示CCD感知B、G和R值的程度。值的均匀比例对应于更宽的色域，从而扩大了可表达颜色的范围。团队设计了亚像素间距（psub、R、psub、G、psub和B）设置为3μm、2μm和4μm的TSB-HOE来优化这种平衡，如图7b所示。
表1给出了CCD相机在三种不同SMDG配置（三分体、TCB和TSB型HOE）下感知到的B、G和R值的比较分析。数据显示，TSB-HOE实现了B、G和R值的均匀比值，表明R、G和B波段的灵敏度相当。显然，基于TSB-HOE的波导显示器呈现出最为增强的色域，并表现出优异的色彩再现性。
结果
为了评估三种SMDG HOE类型的波长比效率和潜在的色域扩展，团队建立了一个实验装置。
图8a，b分别说明了测量SMDG HOE衍射效率和波导效率的布置。为了确定衍射光束强度，他们使用光学功率计测量输入光束和透射光束的强度。
表2给出了测量的衍射和波导效率。由于空间调制涉及单个像素的细分，所以在所有三种类型的HOE中都会出现固有损耗。三等分HOE包括由一个像素划分为三分之一的结构，在三个光谱带之间的衍射效率表现出显著偏差。这主要归因于HOE的特点。
TCB HOE经过优化，在不考虑接收器灵敏度的情况下实现了一致的输出功率，表现出相对均匀的衍射效率。这种均匀性归因于光功率计在三个波段之上的均匀灵敏度。
相反，TSB-HOE呈现出相对不均匀的效率，因为它考虑了CCD相机的光谱灵敏度。与光学功率计不同，MR头显应该会为用户提供宽色域。
为了展示上述三种基于HOE的波导显示器对头显的适用性，研究人员建立了一个实验装置，如图9a所示。通过中性密度滤波器对从光束投影仪发出的虚拟内容进行亮度衰减，并使用1英寸的凸透镜将光束准直并调整大小至大约3.5mm的适当尺寸。随后，虚拟内容通过波导显示器传送到CCD相机。图9b显示了实物（标尺）、波导显示器和CCD相机的示意图。
图10a–d显示了暗室中的AR实验结果。原始图像（标记为RGB）用作光束投影仪的输入，而图10b–d描绘了通过三种不同类型的波导显示器传输后通过CCD相机捕获的图像。视场定义为用户可以观看虚拟内容的角度。它是根据虚拟内容的大小和CCD相机到虚拟内容焦点的距离来计算的。
测量的视场约为8°。这种相对窄的视场是由于基于HOE的波导显示器固有的窄角度选择性。R、G和B中的虚拟内容是为所有三种配置提供。然而，这三种颜色的亮度存在差异。在三等分版本中，G表现出相对较高的亮度，而B则相对较暗。
对于TCB-HOE，G看起来更亮，而R看起来不那么亮。相反，TSB-HOE产生均匀明亮的输出，所有三个“RGB”字母都明显充满活力。
另外，采用白线作为输入图像来量化CCD相机检测到的R、G和B的感知水平。
图11展示了通过将物理对象（标尺）与虚拟内容（白线）重叠来成功实现MR。三等分型HOE表现出淡黄色而不是白色，主要是因为R和G对B的过度支配。
相反，TCB-HOE输出倾向于蓝绿色，反映出相对于R对G和B的过度强调。另一方面，TSB-HOE配置有效地表现出真正的白色。
为了进行定量分析，研究人员通过MATLAB提取了水平的白线行，以测量R、G和B颜色的强度，如图12所示。
直观的结果是，与B相比，三等分类型显示出R和G的不成比例的优势。相反，TCB-HOE输出主要包括B和G，反映出相对于R过度强调G和B。但在TSB-HOE配置中，观察到B、G和R值均匀分布。
图13显示了CCD相机在三种类型的SMDG HOE上的感知水平分布。其中，由于亚像素间距对CCD光谱响应的优化，TSB-HOE均匀分布到三原色。对于基于SMDG HOE的波导显示器，可以通过调整输入光束的R、G和B比率来显示由每种类型的R、G和B顶点形成的范围内的颜色。
讨论
在这项研究中，韩国中央大学的研究人员设计了一种全新的方法，使用空间调制衍射光学元件来扩展波导显示器的色域。使用HOE进行的模拟和实验分析证明，可以通过调制亚像素间距来微调R、G和B强度之间的平衡。对三等分、TCB和TSB-HOE配置的比较分析强调了同时考虑观察者（本研究中使用的CCD相机）的光谱灵敏度和HOE的固有特性以实现优化的重要性。
与先前研究中相比，团队所提出的方法具有数个优点。主要是，通过对每个像素的间距进行独立调整，它有助于对显示颜色的三刺激值进行更精确的控制。当将显示器配置为不同接收器（例如CCD相机或人类视觉系统）的光谱灵敏度时，这种细粒度控制特别有益。
其次，所提出的方法具有较高的再现性和可靠性。先前的方法依赖于HOE的分层和对单个颜色的曝光时间的调节，不能有效地优化三刺激值，因为它们没有考虑光谱灵敏度，而这是本研究中讨论的一个关键因素。另外，先前方法受到其有限的再现性和可靠性的限制，因为优化仅依赖于实验获得的数据。
当然，尽管韩国中央大学提出的方法有几个优点，但同时面临一定的局限性。当未记录的光入射到子像素时，在SMDG结构中存在固有损耗。一个示例是当G或B光进入最初由R记录的子像素时。然而，对于基于衍射光栅的波导显示器衍射三种颜色的光来说，一定程度的损失是不可避免的。
另外，研究中使用的掩模图案是通过光刻方法产生，最小线宽为1μm，从而对实现优化施加了一定的限制。值得注意的是，掩模的精细调整是一个劳动密集且复杂的过程，并且图案记录过程需要高度的精度。
为了应对挑战，团队的目标是通过半导体处理技术实现SMDG图案记录，从而实现超细处理。通过利用先进的技术，如电子束光刻，可以获得比本文中SMDG图案更精细的图案。所以，研究人员将会在未来的研究中进行探索。
在这项研究中，团队介绍了一种全新的方法，利用空间调制方法来增强基于HOE的波导显示器的色域。SMDG方法的实用性在于它能够双向衍射R、G和B射线，从而实现身临其境的全彩显示。他们通过Zemax仿真和理论分析阐述了SMDG的基本原理和理论基础。实验分析表明，团队提出的方法显著改善了基于HOE的波导显示器的色域。
