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厚度仅2.5毫米，NVIDIA研发全息光波导VR方案
Esther｜编辑
随着技术发展，VR的视觉效果和体验感越来越好，尽管如此这项技术依然存在多种技术局限，其中最明显的，就是VR笨重的外形。实际上，从2016年Rift头显问世至今，C端VR头显的体积的确在逐渐缩小，然而现有的VR头显产品依然普遍体积笨重。这主要是因为VR光学元件通常具有一定厚度，经过多年发展，这一点并没有太大改善。为此，一些VR厂商开始探索基于Pancake的超短焦光学，不过目前还没有一个将6DoF Inside-Out定位和短焦方案结合的VR一体机产品。
基于Pancake光学的超短焦VR已经足够轻便，但在NVIDIA眼中，VR还可以更小，尤其是VR光学模组的厚度、透镜和显示器之间的距离还可以缩短。因此，NVIDIA与斯坦福大学合作研发了一种基于SLM元件和光波导的全息VR显示方案，并在近期公布了这项成果。
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据青亭网了解，NVIDIA的全息方案可以将VR眼镜的厚度缩短至2.5毫米，而且不仅能显示2D图像，还支持3D显示，视觉效果更立体。其最大的突破是采用精密设计的光学结构，极大缩减光学模组的厚度。值得注意的是，该方案可搭配眼球追踪模组，并采用一种Pupil-HOGD算法来校准用户的动态瞳孔尺寸（误差小于0.5毫米），以提升VR图像质量。巧妙的是，还能将用户的瞳孔作为一种天然的傅里叶滤波器。
全息VR光学原理
我们知道，VR头显的本质是将一款显示屏放在你眼前很近的地方。而人眼距离屏幕太近会看不清东西，因此为了让你在近距离看清楚VR屏幕的画面，则需要加入透镜结构来放大图像。长期以来，VR常常采用菲涅尔透镜结构，这种透镜方案的缺点是光路较长，因此光学模组的厚度偏大。相比之下，Pancake透镜采用折叠式光路，可大幅缩小整体厚度。
尽管如此，Pancake光学方案仍然具有一定厚度，而且仅能显示2D图像，因此NVIDIA研发了全息VR方案，来解决Pancake光学的痛点。
简单来讲，这项全息VR方案由三大核心部分组成：1，虚拟模式的全息显示屏；2，几何相位透镜；3，瞳孔仿生光波导。
其中，全息显示屏包含目镜、分束器、激光、纯相位空间光调制器（Phase-Only SLM）等元件。与真实模式相比，虚拟模式的全息显示屏主要区别是成像平面位置不同，好处是可缩短光路，降低硬件厚度。实际上，纯相位SLM在模组前方和后方均可显示全息图像，在前方显示时光线通过分束器反射至目镜一侧，而在后方显示时，目镜与SLM光路的距离可以进一步缩短，从而降低整体厚度。
为了进一步缩减硬件体积，NVIDIA采用了一个仿造瞳孔的光波导结构，来取代分束器，从而将全息成像位置改为人眼前。此外，还采用更轻的几何相位透镜（GP）来取代目镜。GP仅支持几种特定的光束偏振，由于大多数SLM仅支持线性偏振光，因此NVIDIA在SLM和GP透镜之间加入了一个四分之一波片（QWP）。
VR原型与优化
为了验证效果，NVIDIA设计了台式、单目和双目三种原型方案，其中双目眼镜原型的厚度仅2.5毫米，重60g，对角线FOV达22.8°，固定眼动范围为2.3毫米，动态眼动范围可达8毫米。当然，由于该方案具备可扩展性，现有的原型参数也可以进一步优化。NVIDIA表示：全息显示方案的显示特性主要由SLM和目镜决定，比如SLM体积越大则FOV越大，SLM像素越小则眼动范围越大，GP透镜焦距越短则适眼距越短。
因此，尽管原型VR眼镜的FOV只有22.8°，但NVIDIA称如果采用2英寸SLM和15毫米焦距GP透镜，可将单目FOV提升至120°。此外，堆叠两个相同的GP透镜和一个圆偏振器，也可以在不大幅增加厚度的情况下将焦距减半。另外，NVIDIA设计的VR眼镜原型的眼动范围仅2.3毫米，但是通过结合眼球追踪模块，便可将眼动范围扩展至8毫米。同时，眼动范围大小与SLM的像素间距也有直接关系。
而为了优化像素细节和图像质量，NVIDIA还采用HOGD（高梯度下降）算法来取代SGD（随机梯度下降）算法来提升对比度。未来，采用专为全息VR眼镜设计的光波导，还能进一步提升图像质量。
总之，NVIDIA这项全息VR光学方案主要解决以下问题：打造支持3D显示的超薄光学方案，进一步缩短目镜/透镜与显示面板之间的距离，进而缩小VR头显厚度，以实现轻量化的全天候外观设计。它是一种基于SLM和光波导的方案，并非传统的透镜和显示面板组合结构。
相比于传统VR光学，全息显示方案还有两个不同点：1）衍射级更高；2）具备动态眼动范围，SLM光照方向可由输入光束的角度来控制，在结合眼球追踪模块后，可跟随注视点和视角变化来同步改变输入光束的角度，从而实现动态变焦，解决视觉辐辏调节冲突问题。
实际上，NVIDIA的全息VR方案也让人联想到此前Meta曾展示的一种基于HOE的VR眼镜方案。相比之下，Meta的方案采用2D全息+液晶组合，并不能显示3D立体视觉，而NVIDIA则采用全息+光波导方案，基于激光光源。不过，NVIDIA全息VR光学模组厚度仅2.5毫米左右，原型机的FOV为22.8°，不含SLM的重量为60g，作为对比Meta全息VR眼镜原型厚度9毫米左右，视场角高达90°范围，两者技术路径不同导致有明显差异。
参考：
https://research.nvidia.com/publication/2022-08_holographic-glasses-virtual-reality
（ END）
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