显示专题 | 全息光学器件助力轻薄型虚拟现实（ACM TOG）
全息光学器件助力轻薄型虚拟现实
Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality
本期导读
随着虚拟现实（VR）逐渐普及，我们希望VR能够拓展到娱乐以外的工业及社交等更多应用，这就给VR显示提出了新的要求，外形需要更加舒适美观，显示性能需要更强。为了VR显示作为用于工作的沉浸式计算平台可以长时间佩戴使用，我们也希望得到舒适便携的头戴显示设备，并实现接近人眼视觉分辨率的图像显示。这将促进VR显示从家庭走向公共空间，对公众而言太阳镜或者眼镜尺寸大小的VR显示更加容易接受。然而，目前的VR显示多是基于传统光学成像的方式，这样的设计将整个系统的外形尺寸限制在类似于护目镜的范围。Facebook Reality Labs (FRL)的研究人员结合了基于偏振的光学折叠以及全息光学的方法，实现了大视场角、高分辨率的现代VR显示，同时将显示系统厚度减小到10mm以内实现了类似太阳镜的外形。该研究工作以论文《Holographic optics for thin and lightweight virtual reality》近期发表于计算机图形学顶级会议SIGGRAPH 2020上并被收录于期刊ACM TOG上。
技术路线
大多数传统VR显示都采用一个简单的玻璃或塑料的光学透镜对微显示器进行成像。该研究工作结合了全息光学，方向背光，激光照明以及基于偏振的光学折叠的显示设计方案，以期实现厚度薄、质量轻以及高性能的VR近眼显示。基于偏振的光学折叠又称Pancake Optics（如图1所示），其基本思路是利用偏振分光的原理，让光线在由分光镜和反射式偏振片间的体积腔内进行三次反射，通过控制偏振态最终让光线通过反射式偏振片出射达到人眼，显著地减小了光线传播的空间从而改善了系统性能，其与传统VR显示光学系统对比如图2所示。该光学结构设计在光学领域已经有了一定应用基础，但目前尚未被大规模引入图形学领域，尤其是VR/AR产业的光机设计中。图1 基于偏振的光学折叠（Pancake Optics）基本原理
图2 所提出的新型VR系统结构与传统VR显示结构对比图。
该研究工作提出了三种不同类型全息光学的设计方案，并进行了一定的比较，具体细节如图3所示。图3(a)采用了单反射面的全息光学元件，系统采用发散式的方向背光，其透镜的功能集成到紧贴显示面板的反射式全息光学元件上；图3(b)采用了双反射全息光学元件的结构，将透镜的功能分别优化到两个全息光学元件上，并利用了准直的方向背光限制了全息光学元件的尺寸；图3(c)采用了单透射式全息光学元件置于光学折叠腔的外侧用来替代传统光学透镜的功能。
图3 三种VR设计方案对比。
图4 构建的平台验证VR显示系统和显实效果。
该研究还利用轻薄的平面薄膜型的光学元件，实现了厚度小于9mm，水平视场角大于90度且外形尺寸接近于太阳镜的VR显示。其佩戴效果如图5所示，显示结果如图6所示。值得注意的是，由于该系统集成的方向背光模块只支持绿色光源，因此该穿戴系统的实际显示结果仅为单色显示，略显遗憾。简单总结，该研究工作在光学和计算原理上均无很本质的创新，但充分利用了现有技术（光学）的特点和优势，提供了一种跨学科工程实现的参考思路。我们相信，缩小光学结构复杂度，实现轻薄全彩实时动态的VR/AR呈现是学术研究和产业发展的趋势。
图5 构建的类似太阳镜外形的VR显示系统及佩戴效果。
图6 类似太阳镜外形的VR显示系统观看效果。
作者信息：Andrew Maimone, Junren Wang, Holographic optics for thin and lightweight virtual reality, ACM SIGGRAPH (TOG), 2020.
技术详见: https://doi.org/10.1145/3386569.3392416
* 所有图片素材均来源于作者原始论文及FRL公开资料，该技术分享不做任何商业用途。
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