HoloLens显像方式初窥

在SLAM系列文章中，我们探究了HoloLens通过SLAM实现对周围环境的感知。但SLAM并不是HoloLens上唯一领先的技术。今天我们简单说下HoloLens的成像技术-全息波导衍射光栅。

在目前的科技水平下，可交互的裸眼全息技术只存在电影里。肉眼看到的全息图像必然需要信号光源和成像介质，不借助任何介质凭空出现虚拟物体暂时还只是美好的愿景。我们知道现实生活中，有许多先进的科技源于军用，全息投影便是其中之一。

战斗机平显图，来自www.pinterest.com

军方其实早早在战斗机上已经运用了全息投影技术，也就是平视显示器HUD (Head Up Display)。平视显示器能把飞机的重要参数投射到无限远处，让虚拟画面有空间深度，而不是近处的面板位置。飞行员只需透过前面透明面板盯着远处，就可以同时观察到敌机以及自己飞机的重要数据，方便作战。平视显示器最开始是用的是反射式全息投影技术，后来发展到更先进的衍射式。

反射式全息投影在演唱会、展会等已经有运用。比如人气虚拟偶像初音未来的演唱会，还有2013年周杰伦与邓丽君同台超越时空对唱，以及2015年羊年春晚duang出现四个李宇春等这些舞台全息投影。

 图片来自初音未来2015年上海演唱会 

 需要借助全息投影膜，都是利用光的镜面反射原理。场景布置如下图所示。

相对于实现难度不大的反射式，HoloLens采用的是更先进的衍射式全息投影技术。利用全息光栅衍射来模拟自然界我们肉眼接受的漫反射光线。

人的肉眼接受的是自然界的各种光的漫反射。投影仪的光当然不能直射到我们眼睛里，那就需要成像介质——全息波导透镜。利用全息光栅将光线等量散发出去，让我们在各个位置都可以接受到全息画面。

HoloLens成像原理

如果图像仅仅靠单片波导衍射，由于衍射光栅是由一系列平行间距相同的沟槽组成。当入射光线波长远大于槽间距，衍射不发生。当波长远小于槽间距，沟槽相当于镜子，无衍射发生。所以一般一个波导只会限定一定波长长度范围的光线进入。然而自然界光线里各种颜色波长长度跨度很大。战斗机的衍射式平视显示器一般单色绿色就满足需求，而HoloLens要呈现彩色全息物体。就如同显示屏至少需要红绿蓝三种基色，如下图叠加在一起的红绿蓝三个层波导。

HoloLens三层光栅

 但三层光栅同时工作会引发相互串扰的问题，可以通过错开时间分别显示来解决这个问题。为了直观让你感受到HoloLens渲染方式，做个小测试。我们用高速摄像机对HoloLens的显示镜片进行拍摄，然后截取其中0.5秒的视频并提取120帧画面按顺序排列。如下图所示。

可以看出HoloLens是按红绿蓝绿规律依次循环渲染的。因为视觉惰性原因，让三原色分别衍射到人眼，看到彩色全息图。

由于衍射光栅凹槽只能对一定入射角度的光线来耦合衍射，这就限制了近眼显示的视角。目前最先进的军用全息波导视角大概是40°×30°，并且单一颜色。HoloLens中的显像原件-微型投影仪和全息透镜成本还比较高，尤其是光波导器，因而市场上运用这种显像方式的产品屈指可数，价格更是高的离谱。不过，我们相信随着混合现实硬件生态的全面发展，不久必定会有更多人使用到这样的黑科技。

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