首尔大学团队开发支持光学遮挡的全息AR显示系统
具备遮挡能力的全息AR显示方案
（映维网Nweon 2025年08月25日） 全息显示能够生成理想的3D虚拟图像，近年来取得了快速进展。然而，由于全息虚拟图像仅简单地叠加在现实世界，导致对比度和可见性下降。相关显示器在提升AR场景图像质量方面依然面临挑战。在一项研究中，韩国首尔大学团队提出了一种具备遮挡能力的全息AR显示方案，并论证了其通过遮挡增强AR图像的能力。
研究人员将一种能够遮挡现实世界特定区域的光学遮挡结构集成到全息AR显示器中。所提出的系统采用带有数字微镜器件（DMD）的折叠4f光学系统，并能够依次充当现实世界遮挡掩模和主动式傅里叶滤波。这种方法将传统上呈现半透明的全息图像转变为视觉上不透明的图像，同时消除了像素化全息显示器中不需要的噪点。另外，主动式傅里叶滤波通过时分复用操作扩展了虚拟图像的视场，并支持一种在处理稀疏虚拟内容时表现尤为出色的新颖二元全息图优化算法。
实验显示，这一方案成功实现了不透明全息3D图像的呈现，显著提高了对比度和图像质量，同时生成了具有光学投射阴影的高度逼真的3D AR场景。
AR是将现实环境与虚拟信息相结合的技术，旨在辅助用户的日常生活，包括导航、娱乐和教育。为可视化AR环境，业界已开发出两类AR显示器：视频透视式（VST）和光学透视式（OST）显示器。VST显示器通过摄像头捕获现实世界，并通过计算将其与虚拟信息融合以创建AR场景。相比之下，OST显示器则使用透明的光学合束器，将虚拟信息光学叠加到真实场景来呈现AR环境。
由于现实世界是直接透过透明合束器观察到，业界通常将OST显示器视为终极目标。然而，传统OST显示器中虚拟信息的视觉呈现不完善阻碍了更广泛的应用。相关视觉缺陷通常表现为不自然的3D图像和因对比度受损而呈现半透明的图像。前一个问题源于缺乏视觉调节线索，而这使得能够重建具有完整焦点线索的光波前的全息技术成为一种理想的解决方案。后一个问题则源于现实世界的环境光。为解决这个问题，必须在AR设备中集成能够阻挡现实物体光线的额外遮挡光学器件。
遮挡是指前景物体遮蔽背景物体的现象。现实物体之间的遮挡由前景物体固有的材质属性决定。根据前景材料的透明度和粗糙度，来自背景物体的光线可能反射、散射或透射，从而形成不透明或透明的图像。但在传统的OST显示器中，虚拟图像无法与背景光相互作用。来自现实世界的背景光持续穿透前景虚拟图像，导致其对比度下降。这一限制同时导致了深度模糊的AR呈现，因为遮挡是人类视觉中最强有力的深度线索之一。
同样的限制适用于能够提供具有连续深度谱的高分辨率图像的全息显示器。尽管基于学习的计算全息图（CGH）合成方法加速了全息显示器的进步（特别是在高质量3D图像呈现方面），但AR场景依然受到背景光的影响。所以对于AR设备，应采用一种能与现实世界背景光相互作用的额外遮挡系统。
在AR显示器中实现遮挡的复杂度取决于所采用的遮挡方法。一种称为“软边缘遮挡”的方法直接将空间光调制器（SLM）放置在眼睛前方以阻挡现实世界的光线。由于其结构简单和系统紧凑，这一方法已在商业产品中得到应用。然而，软边缘遮挡总是呈现模糊的掩模，因为人眼聚焦于远处的物体，而掩模却非常靠近眼睛，难以使其清晰对焦。
实现理想遮挡的另一种方法是“硬边缘遮挡”。这一方法利用4f系统，将SLM置于系统内部，以在特定深度生成主动掩模。通过将虚拟图像的横向和深度位置与真实场景掩模对齐，虚拟图像感知为一个能与现实世界进行光学相互作用的物理对象。利用这种与现实世界光线的相互作用，系统可以控制透明度和对比度，甚至能生成人造阴影。
在另一方面，全息技术已成为相关领域研究者的终极目标和长期挑战，特别是动态全息图，例如SLM有限的空间带宽积（SBP）以及全息重建中的散斑噪点。另外，从仅含强度的目标生成CGH（又称为相位恢复问题）是一个不适定的挑战，使得优化全息图的合成变得困难。值得注意的是，梯度下降算法和深度学习技术的最新进展在解决基于分层CGH合成中的相位恢复和散斑噪点方面做出了重大贡献，提高了重建全息图像的质量。然而，为获得清晰的全息呈现，减少其他类型的噪点同样重要。
传统的全息显示器使用带有静态傅里叶滤波器的4f系统来消除相关噪点。尽管最近关于相位型全息图的研究证明了无需傅里叶滤波器操作的可行性，但仅通过CGH合成来抑制DC和高阶噪点会给SLM带来巨大负载，使得生成高质量3D呈现颇具挑战性。
针对上述问题，韩国首尔大学团队提出了一种具备遮挡能力的全息AR显示器和一种基于主动傅里叶滤波的二元CGH合成算法。 利用遮挡与傅里叶滤波光学在结构上的相似性，系统在折叠结构中通过单个DMD集成了这两种功能，从而减小了整体系统尺寸。
所提出的基于主动傅里叶滤波的算法在重建局部化虚拟内容方面实现了卓越的性能。在光学实验中，团队证明了使用算法合成的二元CGH可以生成散斑抑制的高质量虚拟图像。通过支持遮挡，AR场景中全息图像的深度顺序、可见度和对比度均得到显著提升，实现了逼真的AR呈现。另外通过融入阴影投射，AR环境的真实感得到进一步增强。
然而，系统在多个方面仍有改进潜力。团队将遮挡作为一种工具来模拟真实场景与虚拟全息图像之间的光学相互作用。通过处理遮挡和生成阴影，他们成功增强了AR图像的真实感。尽管如此，这一方案依然有进一步提升的空间。例如，与光源的相互作用不仅限于阴影投射。它同时会影响物体的亮度，根据物体与光源的距离产生相对明亮和暗淡的区域。同样地，现实物体与虚拟物体之间的相互作用不仅产生遮挡，而且会根据前景物体的材料属性产生其他效应。另外，创建逼真的AR场景需要考虑与光学相互作用相关的其他方面，例如纹理、光散射等。
在当前使用现成组件开发的原型中，研究人员的主要目标是论证所提出系统的可行性。为实验方便，在20mm适眼距下将视窗扩展至约10mm；然而，这种配置导致透视视场约为9°，虚拟图像视场约为4°。所述限制很大程度上归因于所用透镜的焦距以及所采用的铁电液晶硅基（FLCoS）器件有限的SBP。尽管如此，所提出的架构本质上是可扩展的。通过采用高数值孔径的超透镜并利用高阶项，团队预计可实现的透视视场将超过50°，虚拟图像视场将超过10°，同时可以减小系统尺寸。另外，集成动态偏转器有可能将透视视场和虚拟图像视场分别进一步扩展至约70°和30°，但这需要付出额外的时分复用成本。
在实现中，他们使用DMD同时进行遮挡和主动傅里叶滤波，因为DMD板在精确同步方面具有优势。然而，所采用的DMD是一个对角倾斜的微镜阵列，提供+12°和-12°两种角度的状态。为补偿这种固有的倾斜，DMD面板在全局上沿垂直和水平轴进行了倾斜。尽管这种全局倾斜使入射光能反射回凸透镜，但倾斜的面板给系统带来了一定的问题。
一个问题是深度随空间位置的变化。由于DMD是倾斜的，到凸透镜的距离随空间位置而变化，导致真实场景和虚拟图像的深度发生偏移。另一个问题是由DMD面板像素化结构衍射引起的真实场景色差。尽管衍射从根本上源于DMD的像素化结构，但全局倾斜会放大所需光与衍射光之间的分离。为解决此问题，可以用标准的平板SLM（例如仅振幅型LCoS）替代DMD，但由于难以与其他设备精确同步，实现中未使用此类器件。不过，研究人员相信通过先进的电路设计可以实现与标准平板SLM的同步。
另一方面，所提出的系统采用固定在傅里叶平面的DMD面板，提供光学无限远处的二维遮挡掩模。因此，系统能为位于无限远处的虚拟图像提供精确的硬边缘掩模，而对于位于较近距离深度的虚拟图像，则应用相对模糊的掩模。研究人员计算了针对此类深度不匹配情况的合适掩模图案，但理想的遮挡只能通过虚拟内容与相应掩模之间的深度匹配来实现，而这需要三维遮挡。最近一项利用基于液晶的变焦透镜实现变焦遮挡的研究表明，通过光学操控掩模深度同时保持真实场景深度，基于折叠光学的3D遮挡是可行的。这种方法可以直接应用于首尔大学团队的研究，并有助于实现更逼真的AR呈现。另外，包括光场、变焦和多焦显示在内的多种3D光学方案都具有实现3D遮挡的潜力。
所提出的设计利用折叠4f光学进行遮挡和傅里叶滤波。然而，真实场景在通过4f系统后发生了空间倒置。因此，所展示的实验结果在由摄像头捕获后旋转了180°以补偿倒置的真实场景。这种空间倒置可以通过采用额外的4f光学系统或施密特-佩亨棱镜进行光学校正。另一个问题在于真实场景的深度偏移。在设置中，来自真实场景的光线在被4f光学系统中继后，传播了额外的光路。因此，真实场景的深度向更远处偏移了相当于额外传播距离的量。由于系统的紧凑性，在实现中额外传播距离仅约5厘米，而这在大多数情况下可以忽略不计。
相关论文：Enhancing Realism in Holographic Augmented Reality Displays through Occlusion Handling
在团队提出的系统中，傅里叶滤波和真实场景掩模通过折叠4f系统中的单个DMD实现。这种设计使光学元件和设备的数量减少了一半。尽管如此，进一步压缩整体系统尺寸依然有潜力。图10展示了一个紧凑版本方案的示意图，其中包括放置在DMD前方的附加微透镜阵列。
为减小整体尺寸，笨重的合束光学元件可以用纤薄的波导合束光学元件替代。考虑到波导全息AR显示器的最新进展，系统可以从此方法中显著受益。为获得更紧凑的外形尺寸，可以采用焦距更短的凸透镜，从而减小元件之间的间隙。靠近DMD放置的MLA能够实现光场遮挡，允许将真实场景掩模放置在任意深度而不牺牲外形尺寸。另外，在紧凑版本中省略HWP，假设全息显示器使用仅相位型LCoS。由于所提出的支持遮挡的架构同时兼容振幅型和相位型全息显示器，它在选择紧凑设备方面提供了灵活性。
