显示专题 | 无透镜彩色全息Maxwellian显示及横向眼动箱拓展 (OSA OL)

无透镜彩色全息Maxwellian显示及横向眼动箱拓展

Lensless Full-color Holographic Maxwellian Near-eye display with Horizontal Eyebox Expansion 

本期导读

在解决近眼显示的聚焦-调节冲突（VAC）问题上，常见的多平面、光场、全息等方法受到器件制约，显示效果还需进一步提升。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，可以大大缓解传统近眼显示的聚焦-调节冲突问题。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。虽然目前基于波前调制的Maxwellian显示的相关研究已经展示一些令人印象深刻的结果，但这些方法仅展示了单色静态图像。鉴于此，合肥工业大学与中国科技大学的研究者使用单个空间光调制器(SLM)实现了一种水平眼动箱拓展的无透镜动态全彩色全息Mawellian近眼显示。该工作近期发表于美国光学学会（OSA）期刊《Optics Letters》上。

技术路线

传统的单色全息Maxwellian显示的实现方法，如图1所示。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。
图1. (a)球面波全息Maxwellian显示原理; (b)目标像面与SLM面重合的简单情况。
该研究将目标像的RGB分量分别与汇聚球面波相位相乘，可以得到三个不同的复振幅分布，分别利用对应波长的相同倾角的载波得到最终单幅的离轴全息图。在重建过程中，将RGB三束激光合光，以正入射方式照射全息图，就可以实现彩色全息Mawellian显示。然而，每种颜色的激光也被其他两种颜色的子全息图调制，从而产生颜色串扰，如图2所示。针对这一问题，该研究提出了基于波长的相位补偿方法，将不同波长的对应视点调整到人眼瞳孔范围内。其基本思路是在瞳面进行孔径数值滤波，如图3所示。

图 2  多波长激光束照射下子全息图2的颜色串扰

图3. 在(a)红色激光和(b)蓝色激光照射下，通过孔径数值滤波子全息图2消除色串扰。(c)参考光倾角限制。

该研究搭建了如图4a所示的光路，R、G、B三束激光通过偏振分束器(PBS)后准直照射SLM。SLM调制后的s偏振光(包含信号光、零级光和共轭光)由PBS反射到瞳孔平面上，利用p偏振滤波器(p偏振片上的一个针孔)来滤除非信号光。相比于传统滤波器，偏振滤波器不会完全阻挡真实场景的光线。因此，当通过偏振滤波器观察全息图像时，真实场景的视场(FOV)不会受到影响。图4b显示了在单色照明下，所需要的视点和另外两个串扰视点将一起产生。最后，在三色的同时照明下，三个预设单色视点将组合成一个彩色视点。同时，该研究分别通过数字仿真和光学实验展示了当红光和绿光同时照射子全息图2时，有无数字滤波的结果，如图4c和图4d所示。图5展示了实验结果，可以看到在不同的深度再现出相对清晰的彩色图像。
图4. (a)实验设置; (b)单色视点和组合彩色视点；在绿光与红光同时照明下有无数字滤波的(c)仿真结果与（d）光学实验结果。

图5. 彩色魔方在不同深度的光学AR重建结果

由于不同人的瞳间距是不同的，所以近眼显示中眼盒的水平拓展是很重要的。为了拓展水平眼盒，该研究将汇聚于不同水平位置的多个球波相位同时添加到目标图像中，生成多个视点。图6展示了所提出彩色Maxwellian显示眼盒的水平拓展，不同视点均可观察到彩色图像。
图6. (a)在瞳面光学复制3个视点; 相机在(b)左、(c)中和(d)右视点拍摄的照片。

技术总结该研究提出了一种无透镜全彩色全息Maxwellian近眼显示，并通过光学实验进行了验证。由于编码的球面波和载波，颜色串扰由6个串扰视点表示，并在空间中与预设视点分离。光瞳平面上的孔径数值滤波消除了视点间的串扰。采用偏振滤波器阻挡了多余的串扰视点与零级光，同时保证了真实场景的视场。在特定深度范围内，可以在空中产生高质量的无散斑彩色全息图像。系统结构简单，无需对SLM进行时间或空间复用。与以往的彩色全息显示相比，本文提出的方法不需要4f系统来滤除非信号光，保证了系统的紧凑性。另外，采用球面波相位代替随机相位使重建图像含较少散斑噪声。该方法还采用多球面波编码实现了彩色全息近眼显示的眼盒扩展，比基于机械方式或HOE的方法要简单。因此，该方法实现了紧凑的彩色全息Maxwellian近眼显示，具有广阔的应用前景。

论文信息：

Z. Wang, X. Zhang, K. Tu, G. Lv, Q. Feng, H. Ming, and A. Wang, "Lensless full-color holographic Maxwellian near-eye display with horizontal eyebox expansion" Opt. Letters (2021).

技术详见：

https://doi.org/10.1364/OL.437384

*该技术分享所涉及文字及图片源于作者提供及网络公开素材,不做任何商业用途。

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