显示专题 | 球面和平面混合波面重建的全息Maxwellian近眼显示 (OSA OE)

混合球面波和平面波重建的全息Maxwellian近眼显示Hybrid Holographic Maxwellian Near-eye Display based on Spherical Wave and Plane Wave Reconstruction for AR

本期导读

Maxwellian显示技术，亦或称为视网膜投影显示（retinal projection display, RPD）技术,因其可以在一定的景深范围内提供始终清晰的二维图像而不受人眼调焦的影响，被认为是一种很有前景的增强现实近眼显示技术。举例来说，应用在车辆辅助显示上，驾驶员无需在虚拟图像与真实物体之间来回对焦，增加了驾驶安全性。传统基于几何光学透镜的Maxwellian显示具有固定不可调的瞳孔位置和景深等光学参数，并且其复杂的光路限制了实用性。基于波前调制的全息Maxwellian显示可以实现光束宽度和汇聚位置的灵活控制，从而实现眼动范围（eyebox）与景深的拓展，同时紧凑性与无透镜像差的优点使其具备较高的实用性。然而，全息Maxwellian显示存在一个固有问题：景深与图像质量之间的权衡制约（trade-off）问题。具体来说，通过瞳孔平面上的低通数值滤波可以减小光束宽度，拓展景深，但同时高频分量的丢失使得图像质量降低。鉴于此，合肥工业大学与中国科学技术大学的研究人员提出了基于球面波和平面波重建的混合全息Maxwellian近眼显示，实现了高图像质量下的景深拓展，该工作近期发表于美国光学学会（OSA）期刊《Optics Express》上。

技术路线

该研究首先分析了传统全息Maxwellian显示的物理意义。传统全息Maxwellian显示将目标图像灰度作为振幅，将汇聚于瞳孔处的球面波相位作为相位，产生的波前通过菲涅尔衍射传播到空间光调制器（SLM）平面生成全息图。该过程实际上是让目标图像的每一点朝向瞳孔位置发射球面波，因此可称之为球面波方法，如图1所示。显而易见，该方法的景深是限制在目标图像位置附近的。通过在瞳孔平面上的低通数值滤波可以减小光束宽度，拓展景深，但同时高频分量的丢失使得图像质量降低。

图1.（a）球面波方法的计算过程；（b）球面波方法的物理意义

图2显示了不同直径的圆孔低通滤波后不同深度的图像重建质量。可以看出随着滤波孔径的减小，景深确实得到了拓展，但是图像质量也因此降低。

图2.（a）不同直径的圆孔低通滤波后不同深度的图像重建结果；（b）景深与图像质量之间的trade-off问题

图3的实验结果表明随着相机对焦深度远离目标图像深度，图像质量将会降低。

图3.（a）实验光路；（b）球面波方法的实验结果

在此基础上，该研究提出一种基于平面波重建的全息Maxwellian显示，如图4所示。将目标图像直接做傅里叶变换后进行数值滤波，然后将其从瞳孔平面上逆向菲涅尔衍射传播到SLM平面上生成全息图。该过程实际上是让目标图像的每一点朝向瞳孔位置发射平面波，因此可称之为平面波方法。与球面波方法不同，该方法中图像重建质量随着重建深度远离目标图像位置而提升。

图4.（a）平面波方法的计算过程；（b）平面波方法的物理意义

图5显示了平面波方法下不同直径的圆孔低通滤波后不同深度的图像重建质量。可以看出随着滤波孔径的减小，景深确实得到了拓展，但是图像质量也因此降低。

图5.（a）平面波方法下不同直径的圆孔低通滤波后不同深度的图像重建结果；（b）景深与图像质量之间的trade-off问题图6的实验结果表明随着相机对焦深度远离目标图像深度，图像质量将会得到显著提升。

图6. 平面波方法的实验结果

以上分析表明，球面波方法和平面波方法的不同聚焦特性使得他们分别适用于近视和远视场景。在增强现实显示中，虚拟图像通常是为了“增强”对应的实际物体的。不同的虚拟图像对应于不同深度的不同物体。因此，球面波方法通常适用于室内的AR应用，而平面波方法更适合室外的AR应用。将两种方法结合起来可以有效增加实用性，，形成图7所示的混合方法。通过将目标图像分解为对应于不同深度范围的两部分，分别使用球面波方法和平面波方法来计算全息图并叠加，可以拓展景深并保证高图像质量。

图7. 混合波面方法的计算过程示意

图8的实验结果中，单词“RABBIT”是用来增强近处的两只兔子模型，而单词“MARIO”是用来增强远处的马里奥和蘑菇模型。对于球面波方法，当相机对焦在近处时，两个单词均是清晰的。而当相机对焦在远处时，两个单词均变得模糊。平面波方法的结果刚好与之相反。而在混合方法中，“RABBIT”在近处始终清晰呈现，“MARIO”在远处始终清晰呈现，都很好地完成了增强现实的显示目标，景深得到了拓展。通过将球面波方法和平面波方法有效的结合，在保证图像质量的同时也拓展了景深，这为VR/AR近眼显示的发展提供了一种新思路。
图8. 球面波方法、平面波方法和混合方法的实验结果对比

论文信息：

Z. Wang, X. Zhang, G. Lv, Q. Feng, H. Ming, and A. Wang, "Hybrid holographic Maxwellian near-eye display based on spherical wave and plane wave reconstruction for augmented reality display" Opt. Express (2021).

技术细节详见：

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-4-4927&id=447080

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* 主要文字由论文作者 Zi Wang撰写，所有图片素材均来源于作者原始论文及网络公开资料，该技术分享不做任何商业用途。

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