显示专题 | 静态眼瞳箱扩展助力眼镜形态全息近眼显示（IEEE ISMAR）
静态眼瞳箱扩展助力眼镜形态全息近眼显示（IEEE ISMAR）
Towards Eyeglass-style Holographic Near-eye Displays with Statically Expanded Eyebox
本期导读
增强现实（AR）技术被广泛地认为是下一代计算平台最具前景的解决方案，可能在不久的将来替代目前已普及的智能手机。近眼显示作为实现增强现实不可或缺的元件，能够将虚拟场景和真实世界无缝融合。全息技术通过衍射的方式重现场景的波前信息，根本上解决了近眼显示中的聚焦辐辏冲突(VAC)问题。迄今为止，全息技术被认为是仅有的可以同时实现大视场角以及便携式眼镜形态的近眼显示方案。
从光学原理上而言，全息近眼显示要实现大视场角不可避免地导致眼瞳箱(Eyebox)过小，佩戴者需要仔细的调整眼睛的位置去寻找系统出瞳位置来观看图像，大大降低用户体验度和舒适度。鉴于此，来自上海大学(SHU)、新加坡理工大学(SIT)、南洋理工大学(NTU)及北卡罗来纳大学教堂山分校(UNC)的学者们创新性地提出了一种全息近眼显示的眼瞳箱静态拓展方法，利用制备的透镜阵列型全息光学元件实现尺寸可达10mm的拓展眼瞳箱。该研究工作于近期发表于VR/AR顶级会议IEEE ISMAR 2020上。技术路线
针对传统全息近眼显示无法同时实现大视场角和大眼瞳箱的问题，该研究方案设计并制备了基于透镜阵列的全息光学元件（HOE）用来作为AR近眼显示的合光器件，从而实现了眼瞳箱的拓展。该设计的基本思路如图1所示，利用集成透镜阵列功能的全息光学元件在瞳孔位置形成多个出瞳，从而在不牺牲视场角的前提下有效地扩展了眼瞳箱尺寸。
图1 系统方案概述
该方案中，相位型空间光调制器(SLM)改变入射光的相位信息，并离轴投影到基于透镜阵列的HOE合光器上，通过HOE的反射让人眼观察到不同深度的虚拟全息图像，解决聚焦辐辏冲突(VAC)问题。由于HOE是一种透明型的平板光学器件，人眼在观察到虚拟图像的同时，也可以直接穿透观察到真实场景。基于这种思路，该研究分别设计了全息近眼显示平台实验系统（图2）以及便携式眼镜形态的AR显示方案（图3）。
具体来说，准直光照射相位型空间光调制器后经过透镜聚焦离轴投影到HOE上。由于HOE集成了透镜阵列的功能，可以在瞳孔附近产生多个焦点，当人眼瞳孔移动时均能看到全息图像。系统没有利用运动扫描器件，即可有效地扩展了眼瞳箱尺寸。同样，这种方案设计也可有效地拓展到便携式眼镜形态的AR显示，如图3所示。该设计中，激光从耦合光纤出射无需准直，直接照明空间光调制器并经过多次反射到达基于透镜阵列的HOE合光器上，形成了便携紧凑型AR显示系统。值得注意的是，该设计方案无需过多的光学元件，光学调制部分均集成于空间光调制器上，实现了全息近眼显示的紧凑型设计，有望构建眼镜形态的全息AR显示。
图2 基于透镜阵列全息光学元件的全息近眼显示平台实验系统光路图
图3 便携式眼镜形态的AR显示方案
基于透镜阵列的全息光学元件是该方案中的重要光学部件。该研究设计并搭建了这种新型全息光学元件的全息曝光制备系统，如图4所示。曝光系统采用光之聚合物薄膜作为全息记录介质，在系统信号光光路中引入透镜阵列，从而在HOE的焦平面（瞳孔表面）形成了多个焦点。制备后完成的HOE在离轴参考光的照射下，即可在瞳孔位置形成多个焦点，因此有效地拓展了眼瞳箱尺寸。
图4 全息光学元件曝光制备系统
该研究利用制备的透镜阵列HOE，在光学平台上搭建了全息近眼显示验证系统，如图5所示。实验装置中将工业相机固定在二轴移动台上，用于模拟人眼运动并测试验证眼瞳箱尺寸，实验结果如图6所示。从实验结果中可以看出，在10mm*10mm的范围内，人眼均可获得比较清晰的全息图像。与传统的透镜型HOE相比，在保证视场角的前提下，无需运动扫描器件就可以显著地拓展了静态眼瞳箱尺寸（图7）。
图5 全息近眼显示平台实验验证系统
图6 眼瞳箱拓展实验结果(10mm*10mm)
图7 该方案与基于传统HOE的全息近眼显示的眼瞳箱对比实验结果
该研究提出了一种全息近眼显示拓展眼瞳箱的新方法，并成功地进行了验证。在今后的研究中，将继续把此设计集成到眼镜形态的全息近眼显示中去，并在图像质量、颜色、视场角等性能上继续提升全息显示性能。
技术详见: https://doi.org/10.1109/ISMAR50242.2020.00057或https://kdocs.cn/l/ci8oAkHtJSTv
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