显示专题 | 用于HUD/AR的一维扩瞳曲面全息波导显示( (Optica Optics Express)

用于HUD/AR的一维扩瞳曲面全息波导显示

Holographic curved waveguide combiner for HUD/AR with 1-D pupil expansion 

本期导读

作为一种极具前景的显示技术，全息波导显示在VR/AR近眼显示（NED）、自动驾驶抬头显示（HUD）等领域都有着非常广泛的应用。全息波导近眼显示只需较为简洁的系统结构就能够提供虚拟图像与真实场景融合，为用户提供自然舒适的观看体验。但目前大多数全息波导近眼显示均基于平板波导结构，在某些场景中可能难以实施具体应用，且视场角也会受到系统结构的限制。

鉴于此，来自亚利桑那大学（The University of Arizona）的研究人员开发了用于增强现实和混合现实且具有一维出瞳扩展功能的曲面波导近眼显示，该研究结合光学追迹设计了原型样机，校正了图像在曲面波导内部传播的像差，并进行了实验验证。该系统实现了曲面波导结构的近眼显示，当出瞳距离为10mm时，视场角达到了13°(H)×16°(V)，同时实现了水平方向的出瞳扩展，出瞳尺寸达到6.2mm×42.7mm。该研究工作近期以论文形式发表于光学领域顶级期刊《Optics Express》上。

技术路线

技术实现上，曲面波导显示器由圆柱面的曲面波导、耦入全息光学元件（HOE）和耦出全息光学元件，如图1所示。耦入HOE直接粘贴在波导表面将外部光线耦入波导，波导表面的耦出HOE则将内部光线耦出波导，同时也可用来使光线多次衍射以实现出瞳扩展。相较于平板波导，曲面波导内部的多次反射会造成一定的像差。如果不校正曲面引起的像差时，入射进波导内部的光束，通过曲面上的多次全反射传播过程中，光线逐渐就失去了平行光特征，且由曲面引起的像差也会随着全反射次数的增加而增大。

图1. 无像差校正的曲面全息波导内部光线传播示意图

该研究中，光通过波导后必须呈平行光束，保证光束就不会随着距离而扩张或收缩，也会使得显示图像在整个出瞳分布上呈现出相同的大小。但在曲面上无法做到平行光，因此在传播过程中有一个恒定的聚焦和扩展的光束依然能够保证光线有序传播。图2展示了曲面波导内部光线传播的特性。当中心入射光线与法线呈54°时，光源在距离为r/3时，离轴光线满足1：1共轭，可以使光线聚焦在一个对称耦合点上，如图2(b)所示，校正了图2(a)中由于像散导致焦距的变化，改进了光线无序传播引起像差这一不足。

图2. 曲面波导内部光线传播。（a）像散导致焦距变化；(b)光源位于r/3时1：1共轭

图3显示了曝光HOE的光路示意图，通过一束平行光和一束固定焦距的会聚光束曝光HOE，以此实现光线在波导内部传播受曲面影响像差的校正。该曝光方案适用于两侧HOE的曝光，需要注意的是耦出HOE需考虑二次衍射问题，从而实现出瞳扩展。

图3. HOE曝光方案简易示意图。

同时为了避免图像耦出时发生重影现象，在曝光耦出HOE时，需要考虑引入角度变化，来弥补这些残余像差。为更好地校正曲面引起的像差，在曝光系统中引入柱面镜，系统示意图如图4(a)所示。柱面镜的曲率半径与波导的曲率半径非常接近，使垂直进入波导的参考光束具有一定的散光度，耦合棱镜的引入可以同时使两束参考光束按照设计的曝光角度入射到耦入HOE上产生干涉。耦出HOE的曝光方案如图4(b)所示，一束参考光束通过耦入HOE，经过全反射入射到耦出HOE，另一束参考光束按近准直光束垂直向下入射。

图4. (a)耦入HOE实际曝光方案示意图；(b)耦出HOE实际曝光方案示意图。

该研究的实验结果如图5所示。光线通过曲面波导，出瞳尺寸在水平方向上扩大了5倍。实验显示效果图如图6所示，可以看出经过校正后的系统可以实现较好的显示效果（图6(a)），而未经校正则会出现重影现象（图6(b)）。

图5 出瞳扩展实验图。

图6 (a)校正后波导显示图像；(b)未校正波导显示图像。

技术小结

简单总结，针对曲面波导需要设计合理的曝光方案制备HOE，让光线在波导内部保持有序传播状态，从而在曲面波导结构下实现近眼显示。但在传播距离的控制以及彩色显示方面上仍需要进一步研究。该研究提供的方法可以扩展到一维曲面波导上的二维扩瞳方案，最终可以延伸到实现二维曲面波导二维出瞳扩展的全息波导近眼显示。相信该研究工作将为下一代轻量级、可穿戴的集成紧凑便携式近眼显示设备的实现提供新思路。

论文信息：

• Craig T. Draper and Pierre-Alexandre Blanche, "Holographic curved waveguide combiner for HUD/AR with 1-D pupil expansion," Opt. Express 30, 2503-2516 (2022)

技术详见：

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-2-2503&id=468368

*该技术分享所涉及文字及图片源于发表论文和网络公开素材,不做任何商业用途。

回顾与预告

上期回顾：计算专题 | 基于相空间表征的菲涅尔衍射场采样分析 (Optica JOSA)欢迎点击查阅

下期预告：我们将不定期推荐学术领域具有代表性的计算显示和计算成像研究工作，同时穿插一些新型光学设计和VR/AR光机实现科普等的资讯分享，欢迎订阅关注，欢迎来稿交流。
Contact: [e-mail]
INTELLIGENTOPTICSSHARING (I.O.S.) 运营以该领域的研究学者为主，非盈利非广告，希望能够结交共同兴趣方向的读者们，建立光学和计算机交叉学科领域内一个资讯分享交流的平台。如果喜欢，请点击“在看”和“点赞”，将有助于微信公众号平台对信息的定向统计和及时推送，小编团队在此不胜感激，谢谢！！


END