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Facebook AR/VR全息光学模组进展：新论文展示HOE元件制作工艺
Esther｜编辑
去年6月，Facebook曾公布过一项基于全息光学和折叠光路的VR光学方案，可用于打造支持激光光源、具备视网膜级分辨率的轻量化VR眼镜。据悉，基于该方案打造的光学模组厚度可控制在8.9毫米内，视场角依然可超过90°。
从Facebook公布的轻量化“VR眼镜”原型来看，基于全息光学的VR原型看起来比华为VR Glass等偏振式折叠光路短焦VR头显更轻量化，厚度更加接近普通墨镜。同样是基于折叠光路，采用全息光学元件又有哪些优势呢？
目前市面上的VR光学结构通常由显示源和透镜两大部分，其中显示模组已经可以做到足够薄，但透镜体积依然难以控制。即使透镜本身足够薄，但由于透镜和显示模组之间需要保留对焦空间，这两大部分组成的光学模组体积依然较大。相比之下，全息光学透镜比传统的折射式透镜更薄，而且达到同样优秀的显示效果同时，光线路径更短，因此整体模组更薄。
不过，目前该光学方案研究还处于概念验证阶段，而且光学性能优秀的全息光学元件在设计和制作上，比传统的折射光学元件难得多。
近期，FRL在ACM SIGGRAPH Asia期间公开了一种全新的AR/VR全息光学方案论文。论文中描述了一种关于自由曲面HOE（全息光学元件）的设计和制造工艺。该工艺可生成具有复杂相位剖面和高选择性的体积光栅。此外，这种工艺还可降低像差，并且将衍射效率优化至理想的波长和角度，弥补制造HOE元件时造成的材料收缩。
细节方面，HOE可用于光束重定向，配合激光光源可实现轻量化的AR/VR显示系统。它的优势在于，可避免传统折射和反射光学方案的体积和折射率，对于光学性能的限制。此外，HOE的体积光栅结构也具有选择性和多路传输的特性。其中选择性指的是，自衍射特定入射角度或波长的光束，而多路传输性指的是叠加多层体积光栅的能力。多层体积光栅结构的优势在于，可以独立捕捉红、绿、蓝三色的全息光束，生成RGB图像。
Facebook表示：HOE是一种厚仅10微米的聚合物，HOE上的体积光栅可将光线灵活的重定向。此外，全息光学元件（HOE）可用于AR/VR等多样化的场景，但是设计和制造受到简单波前（波阵面最前方的曲面）设置的限制。而通过干扰HOE的信号波前和参考波前，可记录体积光栅的变化，不过接下来波前数据的计算是一大难点。
与传统的自由曲面折射光学方案相似，HOE可根据应用场景灵活优化，而科研人员在论文中展示的，则是一种专为AR/VR头显优化的HOE方案。首先，优化光栅的横向和纵向（xy）部分，来降低点分布函数。接着，优化z轴光路，进而优化光效。
HOE光栅的设计完成后，科研人员通过两种方式生成用于记录HOE光路的波前，即：
1）利用金刚石车削制造一对自由曲面折射光学模组来调节波前，显示全息图像，并结合一种新的迭代算法来进行计算。通过多次调整和测试，科研人员可以通过光学表面生成的波前来预测预期的光栅；这个方案的制造速度更慢、成本更高，但可实现高效的光学质量，适用于工业应用场景。
2）利用全息打印技术生成HOE光栅，而全息图像则是由多个全息模块（hogel）拼接而成，不过为全息打印计算理想的波前，需要解决一些优化难题。与第一个方案相比，全息打印的设计仅实现有限的光学质量，同时大幅加速制造过程，大约只需要几小时即可完成，适合原型产品快速迭代。
尽管如此，两种制作工艺都有一些优化问题需要解决，于是科研人员分别为两种工艺设计了不同的算法。利用上述光学设计，科研人员研发出可用于焦散和成效的全彩色HOE元件。
总之，在这篇论文中科研人员指出了一种更适合轻量化AR/VR头显的定制化复杂HOE设计方案，以及两种可能的制造工艺。通过优化算法和设计，进一步提升AR/VR显示效果，优化HOE体积光栅的选择性和多路传输效果。
此外，还开发了一些特殊应用场景的HOE模组，比如：非球面透镜设计、头显透镜设计、透镜阵列、RGB焦散投影元件，并对比不同方案的显示效果。
未来，科研人员计划将这种光学制造工艺应用于曲面模组上，他们表示：采用曲面透镜的优势在于，具有HOE涂层的曲面玻璃或遮光罩更适合AR/VR头显或眼镜。
参考：
https://research.fb.com/wp-content/uploads/2020/12/Design-and-Fabrication-of-Freeform-Holographic-Optical-Elements.pdf
（ END）
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