Facebook研究用于AR/VR头显的紧凑型全息透镜设计制造方法

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设计和制造用于XR头显的紧凑型全息透镜的全新方法

映维网 2021年04月10日)2020年12月,映维网在《2020年12月30日新公布AR/VR科研论文摘选》中简单分享了Facebook Reality Labs设计和制造用于XR头显的紧凑型全息透镜的全新方法——Freeform Holographic Optical Elements。现在,RoadtoVR对这篇科研论文作了进一步的分享。

值得一提的是,上个月3月27日的“第五期映维会讲AR/VR研讨会”上,映维网会员北卡莱罗纳大学夏洛特分校范春杰博士也针对Freeform Holographic Optical Elements作了简单分享。

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今天的XR设备大多采用典型的折光透镜,它们可能相当笨重,特别是当针对特定光学特性进行优化时。为了改善光学性能,同时不增加太多体积,XR头显经常会用到菲涅耳透镜。

对于XR光学元件来说,全息透镜在理论上是一种非常具有前景的方法。这主要是因为它们在极薄的膜空间中具有与传统透镜相同(甚至更先进)的功能。然而,设计和制造具有高光学性能的全息透镜比典型的折射光学元件要困难得多。

针对这一点,Facebook Reality Labs的研究人员Changwon Jang, Olivier Mercier, Kiseung Bang, Gang Li, Yang Zhao和Douglas Lanman通过一篇论文介绍了制造全息透镜的新方法。但当然,要真正量产Facebook最近演示的紧凑型XR眼镜,团队还有很长的路要走。

相关论文Design and Fabrication of Freeform Holographic Optical Elements

名为《Design and Fabrication of Freeform Holographic Optical Elements》的论文在2020年12月发表于《ACM Transactions on Graphics》期刊。

团队主要介绍了构建所述全息透镜理论设计的优化方法,以及实际制造全息透镜的两种方法。

第一种方法是使用一对自由形状的折射光学来创建目标全息图。另一种方法涉及利用全息打印机来创建目标全息图。

研究人员写道:“全息光学元件(Holography Optical Elements,HOEs)有着广泛的应用,包括在虚拟和增强现实中的新兴应用。但这种元件的设计和制造在很大程度上依然局限于使用简单波前的配置。在本文中,我们提出了一个用于设计、优化和制造复杂的和定制的HOE,提高其成像性能并赋能新应用的管道。团队针对光栅矢量场提出了一种特殊的HOEs矢量优化方法。团队进一步展示了如何将团队的管道应用于两种不同的HOE制造方法。第一种是利用一对自由曲面折射元件来制造高光学质量和高精度的HOE。第二种是使用带有两个波前调制臂的全息打印机,实现快速原型制作。团队提出了一个统一的波前分解框架。为了证明所述方法的多功能性,我们制造并描述了一系列特殊的HOEs,包括非球面透镜、平视显示透镜、透镜阵列以及全彩焦散投影元件。”

第一种方法

第二种方法

尽管这篇论文没有深入探究,但团队表示,未来可能会尝试将相同的方法应用于弯曲表面,而不是平坦表面。

相关论文Design and Fabrication of Freeform Holographic Optical Elements

论文指出:“对于一些VR/AR应用来说,创建具有物理弯曲形状参数的HOEs可能是有益的,例如,HOEs压在弯曲挡风玻璃或眼镜。我们希望我们的制造框架能够很好地扩展到这样的情况,因为无论是打印机还是(折光透镜)方法都不要求HOEs是平的。算法1的优化方法可以使光线与曲面相交……优化HOEs形状参数将为我们提供更多的自由度,并将扩大应用范围,但我们会将其作为未来的研究工作。”

演示视频

另外,早在2020年6月份在名为《Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality(用于轻薄型虚拟现实的全息光学元件)》一文中,Facebook Reality Labs(FRL)研究人员Andrew Maimone和Junren Wang提出了一种结合了全息光学元件和基于偏振的光学折叠的全新近眼显示器,而这一方法可用于开发未来的太阳镜式VR硬件。两种方法的结合有助于实现尽可能细薄的光学元件,同时最有效地利用空间。

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点击《Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality》可阅读完整论文。对于映维网会员,还可以阅读该论文的中文版《用于轻薄型虚拟现实的全息光学元件》。在映维网会员社区支持下,北卡莱罗纳大学夏洛特分校范春杰博士对该论文进行了全文翻译。

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