显示专题 | 针镜全息光学元件阵列式波导+视网膜投影=紧凑型近眼显示 (Optica OL)

针镜全息光学元件阵列式波导助力视网膜投影近眼显示

Waveguide-type Maxwellian near-eye display using a pin-mirror holographic optical element array

本期导读

与虚拟现实(VR)眼镜不同，增强现实近眼显示(AR NEDs)需要光学透视(OST)结构来将虚拟图像叠加到现实世界中。合光器(optical combiner)是实现OST能力的关键元件。鉴于此，波导型设计结构紧凑、透过率高，可以很好地观看真实场景；利用出瞳扩展技术可以实现相对较大的眼瞳箱(eye-box)。但传统方法存在的辐辏调节冲突(VAC)问题易造成长期观看的视疲劳。

来自韩国仁荷大学的研究人员提出了一种新型基于视网膜投影的波导型AR近眼显示，其核心技术是基于针镜阵列的全息光学元件作为波导显示的耦出器。针镜阵列全息光学元件中的单个针镜尺寸较小，有效地减小了系统孔径，可获得具有较大景深的虚拟图像，实现麦克斯韦视图的近眼显示。针镜阵列全息光学元件的阵列结构可以有效地扩展了眼瞳箱尺寸，提高了用户的舒适度和对眼睛位置的容忍度。该研究于近日发表在光学领域权威期刊《Optics Letters》。

技术路线

该研究工作所提出的近眼显示系统的基本结构如图1所示。与传统耦出HOE不同的是，采用了针镜全息光学元件（PMHOE）作为耦出全息光学元件，其可将光束限制在很小的范围内，使图像到达视网膜上的模糊程度减少，从而提供了较大的景深，实现了麦克斯韦视图显示。

图1 基于PMHOE的波导型AR近眼显示示意图

PMHOE的大小是系统的一个重要设计参数。研究通过模拟仿真选择了合适的PMHOE尺寸，并计算了系统的调制传递函数(MTF)，如图2所示。通过对不同聚焦平面和不同PMHOE尺寸下的MTF进行对比，最终选择中等尺寸的PMHOE，直径为1mm。

图2 不同PMHOE尺寸与眼睛聚焦平面的调制传递函数的关系

该研究制备了一组PMHOE阵列作为波导显示的耦出端，用于扩展系统眼瞳箱，如图3所示。这种阵列型的设计不仅扩展了眼瞳箱尺寸，同时保持麦克斯韦视图的显示效果。在此系统中，相邻PMHOE之间的间隔被设计为5mm左右。

图3 基于PMHOE阵列的波导型AR近眼显示眼瞳箱拓展示意图

图4展示了PMHOE阵列的制备原理以及实验装置，记录激光波长为660nm，在信号光的光路中引入针孔阵列掩模。经过全息曝光和漂白等过程后，将制备PMHOE阵列分离固定到1mm厚的波导上。

图4 PMHOE阵列的制备光路和装置

图5(a)展示了带有PMHOE耦合器的波导型合光器，整体尺寸约为25mm×75mm，厚度为1.1mm。可以在制作过程中使用不同的掩模来实现如图5(b)所示的PMHOE二维阵列。为了观察所提出的波导型AR近眼显示的虚拟图像，该研究采用如图5(c)所示的实验装置拍摄实验结果。
图5 制备的基于PMHOE阵列的波导和搭建的近眼显示实验装置
图6展示了所提出近眼显示的实验结果，对不同焦平面下PMHOE各出瞳位置的图像进行了拍摄，并与传统波导近眼显示进行对比，验证了所提出的波导型AR近眼显示的聚焦-辐辏冲突缓解能力和眼瞳箱扩展效果。

图6 近眼显示实验显示效果

简单总结，该研究使用PMHOE阵列作为输出耦合器实现了视网膜扫描波导近眼显示，系统结构相对紧凑，眼瞳箱尺寸得到了扩展。系统实验在4.5mm(H) x 2mm(V)的眼瞳箱范围内，均可获得视场为 9.29° 的近眼显示图像，且无聚焦辐辏冲突问题。值得注意的是，该研究在系统的视场角、成像平面位置以及图像的分辨率等方面有待进一步改进提升，另外一个挑战在于如何实现高保真度的全彩色显示。

论文信息：

• Myeong-Ho Choi, Kwang-Soo Shin, Junyoung Jang, Woongseob Han, and Jae-Hyeung Park, "Waveguide-type Maxwellian near-eye display using a pin-mirror holographic optical element array," Opt. Lett. 47 (2022)
  

技术详见：

https://doi.org/10.1364/OL.443004

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