英伟达、斯坦福大学展示2.55毫米厚+23°FOV超薄全息VR眼镜

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22.8度对角线视场,2.3 mm的静态和8 mm的动态视窗

映维网Nweon 2022年05月06日)VR头显走向主流的一个重要挑战是形状参数。当前的设备相当笨重,而且难称时尚酷潮。所以,行业社区一直在致力于解决这个问题。在一份名为《Ultra-thin (2.5 mm) glasses-form factor VR display supporting 3D holographic images》的论文中,英伟达与斯坦福大学展示了一种用于虚拟现实的超薄全息眼镜构思。

由于VR头显一般是基于放大镜原理,由透镜放大由微型显示器提供的图像,所以这要求设备提供一定的距离空间以实现图像放大。行业目前正在积极探索的一个方向是Pancake折叠光学元件,通过光路折叠来减少设备尺寸。不过,它们同样自己的挑战,难以提供理想的分辨率和重要的视觉聚焦线索。

传统头显需要在显示面板和目镜之间提供一定的距离空间以实现图像放大

所以,英伟达与斯坦福大学团队把目光投向了全息术,并构建了一个厚度只有2.5mm的超薄VR显示器原型。这个名为Holographic Glasses的全息眼镜由一个光瞳复制波导、一个空间光调制器和一个几何相位透镜组成,可以以轻薄的形状参数产生全息图像。

英伟达和斯坦福大学团队构建的原型

所以,原理是什么呢?我们可以再次回顾上述的放大镜原理。为了放大图像,透镜和微型显示器之间需要一定的距离,所以常见的VR头显一般都是相当宽厚。英伟达和斯坦福大学团队没有采用这种方法,而是选择利用2.5mm厚的光学叠层来传送全彩3D全息图像。

在所述全息眼镜中,耦合到光瞳复制波导的相干光源可以为纯相位SLM提供照明。然后,SLM在设备后面创建一个小尺寸图像,并由细薄几何相位(GP)透镜放大。Holographic Glasses的主要核心组件包括:

  • 光瞳复制波导
  • 全息近眼显示器:纯相位SLM在物理设备后面创建2D或3D图像。SLM直接安装在波导之上,没有气隙,从而最小化显示屏的厚度。
  • 几何相位(GP)透镜和偏振控制。GP透镜又称为Pancharatnam Berry相位透镜。这是一种偏振相关液晶(LC)透镜,往往薄而轻,可在特定的输入光束偏振情况下用作正透镜。

对于GP透镜。有头显采用菲涅耳透镜作为目镜,但团队发现,当与相干光源一起使用时,这种光学元件的锯齿结构会产生干涉伪影。另外,由于大多数SLM基于LCs,并使用线偏振,所以在整个光路中应仔细考虑偏振。所以,研究人员在SLM和GP透镜之间安装四分之一波片(QWP),将线偏振输入光转换为GP透镜所需的RCP光。然后,透镜依次将RCP光转换为LCP光。

图2是Holographic Glasses的示意图。具有波长𝜆 的相干和准直光耦合到一个厚度为𝑡w和折射率𝑛w的波导。 然后,光以会聚角𝜃c耦出波导。光在线性偏振器进行偏振 ,然后SLM对光进行调制。SLM具有间距𝑝s、 像素数𝑁x×𝑁y、 宽𝑤s、 高ℎs的像素。调制后的光以衍射角𝜃s返回给用户。

由于通过波导的路径长度不同,耦出光在相位均匀性方面的偏差大于正常偏差,所以难以求解。然而,通过在相位优化过程中根据捕获的图像计算损耗,可以使用camera-in-the-loop(CITL)方法来补偿这种加扰相位。另外,波导扰乱了偏振,而这可以通过SLM前面的线性偏振器进行校正。

全息眼镜有两个在传统VR显示器中无法观察到的明显特征。第一个是High diffraction order(HDO)。如图3左侧所示,SLM像素的周期性结构创建HDO。所以,团队必须在相位计算过程中考虑HDO。于是,他们开发了一种全新的梯度下降算法,使用Pupil-HOGD和HOGD-CITL算法合成了要显示的相位全息图。关键是对HDO的传播进行建模,从而无需光学过滤掉HDO就可创建高质量的图像。当瞳孔收集来自多个衍射级的光时,这种HOGD传播对于实现高图像质量至关重要。

第二个特征来自光瞳复制波导。因为波导设计成在一定的入射角度范围内再现光场(𝜃i),整个SLM照明的方向可由输入光束方向控制。如图3右侧所示,输入光束的小幅偏转可以产生动态视窗。利用一个额外的注视点追踪器,系统可以通过简单地改变输入光束的方向来追踪注视点并围绕中叶移动。

如上图所示,图7显示了不同计算机生成全息算法产生的图像质量模拟比较。对于两种像素间距,英伟达和斯坦福团队开发的全新Pupil-HOGD算法能够在所有光瞳大小下产生最佳图像质量。

当捕获到High Order时,HOGD算法的性能第二好,因为它可以优化High Order,但由于光瞳的原因,其无法正确建模的部分滤波。SGD算法在捕获高阶时表现第三,因为它可以利用完整的Central Order,但不能对High Order进行建模。值得注意的是,即使完全滤除High Order,SGD算法的性能都有限,因为它没有对Central Order的部分滤波建模。双相位振幅编码(DPAC)算法在瞳孔较小时表现良好,因为它将信号集中在低频,并将不需要的光发送到高频,但在瞳孔较大时表现最差。

总的来说,英伟达和斯坦福大学团队构建了一种类似眼镜的VR显示器。所提出的设计以光瞳复制波导、一个空间光调制器和一个几何相位透镜作为核心,并利用这个2.5mm厚的光学叠层来传送全彩3D全息图像。另外,团队提出了一种全新的Pupil-HOGD梯度下降算法,以根据用户不同的瞳孔大小进行正确的相位计算。

相关论文Ultra-thin (2.5 mm) glasses-form factor VR display supporting 3D holographic images

需要注意的是,所述的双目可穿戴原型仅提供22.8度对角线视场,2.3 mm的静态和8 mm的动态视窗,但支持3D聚焦提示,重量仅为60g(不包括驱动板)而且厚度仅为2.55mm。

另外,团队坦诚图像质量,光瞳直径与控制,以及系统集成方面依然存在提升空间,所以接下来研究人员将继续致力于优化迭代。

值得一提的是,英伟达并非唯一一支探索眼镜形态VR显示器的团队。例如,Meta曾在2020年展示了一款类似的设备原型。

如上图所示,研究人员提出的全新近眼显示器结合了全息光学元件和基于偏振的光学折叠层。设备仅采用细薄平面薄膜作为光学元件,并实现了小于9毫米的显示器厚度,同时支持与当今消费类虚拟现实产品相当的视场(这个单绿FOV为 水平92° x 垂直69°)。

延伸阅读Meta展示迄今最轻薄VR头显原型:基于全息光学和偏振光学折叠

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