VR頭顯走向主流的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是尺寸。當(dāng)前的設(shè)備相當(dāng)笨重，而且難稱時(shí)尚酷潮。所以，行業(yè)社區(qū)一直在致力于解決這個(gè)問(wèn)題。在一份名為《Ultra-thin (2.5 mm) glasses-form factor VR display supporting 3D holographic images》的論文中，英偉達(dá)與斯坦福大學(xué)展示了一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)的超薄全息眼鏡構(gòu)思。由于VR頭顯一般是基于放大鏡原理，由透鏡放大由微型顯示器提供的圖像，所以這要求設(shè)備提供一定的距離空間以實(shí)現(xiàn)圖像放大。行業(yè)目前正在積極探索的一個(gè)方向是Pancake折疊光學(xué)元件，通過(guò)光路折疊來(lái)減少設(shè)備尺寸。不過(guò)，它們難以提供理想的分辨率和重要的視覺(jué)聚焦線索。
傳統(tǒng)頭顯需要在顯示面板和目鏡之間提供一定的距離空間以實(shí)現(xiàn)圖像放大
所以，英偉達(dá)與斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)把目光投向了全息技術(shù)，并構(gòu)建了一個(gè)厚度只有2.5mm的超薄VR顯示器原型。這個(gè)名為Holographic Glasses的全息眼鏡由一個(gè)光瞳復(fù)制波導(dǎo)、一個(gè)空間光調(diào)制器和一個(gè)幾何相位透鏡組成，可以以輕薄的形狀參數(shù)產(chǎn)生全息圖像。
英偉達(dá)和斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的原型在所述全息眼鏡中，耦合到光瞳復(fù)制波導(dǎo)的相干光源可以為純相位SLM提供照明。然后，SLM在設(shè)備后面創(chuàng)建一個(gè)小尺寸圖像，并由細(xì)薄幾何相位（GP）透鏡放大。Holographic Glasses的主要核心組件包括：- 全息近眼顯示器：純相位SLM在物理設(shè)備后面創(chuàng)建2D或3D圖像。SLM直接安裝在波導(dǎo)之上，沒(méi)有氣隙，從而最小化顯示屏的厚度。
- 幾何相位（GP）透鏡和偏振控制。GP透鏡又稱為Pancharatnam Berry相位透鏡。這是一種偏振相關(guān)液晶（LC）透鏡，往往薄而輕，可在特定的輸入光束偏振情況下用作正透鏡。
對(duì)于GP透鏡。有頭顯采用菲涅耳透鏡作為目鏡，但團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與相干光源一起使用時(shí)，這種光學(xué)元件的鋸齒結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生干涉?zhèn)斡啊Ａ硗猓捎诖蠖鄶?shù)SLM基于LCs，并使用線偏振，所以在整個(gè)光路中應(yīng)仔細(xì)考慮偏振。所以，研究人員在SLM和GP透鏡之間安裝四分之一波片（QWP），將線偏振輸入光轉(zhuǎn)換為GP透鏡所需的RCP光。然后，透鏡依次將RCP光轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CP光。
圖2是Holographic Glasses的示意圖。具有波長(zhǎng)? 的相干和準(zhǔn)直光耦合到一個(gè)厚度為?w和折射率?w的波導(dǎo)。然后，光以會(huì)聚角?c耦出波導(dǎo)。光在線性偏振器進(jìn)行偏振 ，然后SLM對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。SLM具有間距?s、 像素?cái)?shù)?x×?y、 寬?s、 高?s的像素。調(diào)制后的光以衍射角?s返回給用戶。
由于通過(guò)波導(dǎo)的路徑長(zhǎng)度不同，耦出光在相位均勻性方面的偏差大于正常偏差，所以難以求解。然而，通過(guò)在相位優(yōu)化過(guò)程中根據(jù)捕獲的圖像計(jì)算損耗，可以使用camera-in-the-loop（CITL）方法來(lái)補(bǔ)償這種加擾相位。另外，波導(dǎo)擾亂了偏振，而這可以通過(guò)SLM前面的線性偏振器進(jìn)行校正。全息眼鏡有兩個(gè)在傳統(tǒng)VR顯示器中無(wú)法觀察到的明顯特征。第一個(gè)是High diffraction order（HDO）。如圖3左側(cè)所示，SLM像素的周期性結(jié)構(gòu)創(chuàng)建HDO。所以，團(tuán)隊(duì)必須在相位計(jì)算過(guò)程中考慮HDO。于是，他們開(kāi)發(fā)了一種全新的梯度下降算法，使用Pupil-HOGD和HOGD-CITL算法合成了要顯示的相位全息圖。關(guān)鍵是對(duì)HDO的傳播進(jìn)行建模，從而無(wú)需光學(xué)過(guò)濾掉HDO就可創(chuàng)建高質(zhì)量的圖像。當(dāng)瞳孔收集來(lái)自多個(gè)衍射級(jí)的光時(shí)，這種HOGD傳播對(duì)于實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量至關(guān)重要。第二個(gè)特征來(lái)自光瞳復(fù)制波導(dǎo)。因?yàn)椴▽?dǎo)設(shè)計(jì)成在一定的入射角度范圍內(nèi)再現(xiàn)光場(chǎng)(?i），整個(gè)SLM照明的方向可由輸入光束方向控制。如圖3右側(cè)所示，輸入光束的小幅偏轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)視窗。利用一個(gè)額外的注視點(diǎn)追蹤器，系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變輸入光束的方向來(lái)追蹤注視點(diǎn)并圍繞中葉移動(dòng)。
如上圖所示，圖7顯示了不同計(jì)算機(jī)生成全息算法產(chǎn)生的圖像質(zhì)量模擬比較。對(duì)于兩種像素間距，英偉達(dá)和斯坦福團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的全新Pupil-HOGD算法能夠在所有光瞳大小下產(chǎn)生最佳圖像質(zhì)量。當(dāng)捕獲到High Order時(shí)，HOGD算法的性能第二好，因?yàn)樗梢詢?yōu)化High Order，但由于光瞳的原因，其無(wú)法正確建模的部分濾波。SGD算法在捕獲高階時(shí)表現(xiàn)第三，因?yàn)樗梢岳猛暾腃entral Order，但不能對(duì)High Order進(jìn)行建模。值得注意的是，即使完全濾除High Order，SGD算法的性能都有限，因?yàn)樗鼪](méi)有對(duì)Central Order的部分濾波建模。雙相位振幅編碼（DPAC）算法在瞳孔較小時(shí)表現(xiàn)良好，因?yàn)樗鼘⑿盘?hào)集中在低頻，并將不需要的光發(fā)送到高頻，但在瞳孔較大時(shí)表現(xiàn)最差。總的來(lái)說(shuō)，英偉達(dá)和斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種類似眼鏡的VR顯示器。所提出的設(shè)計(jì)以光瞳復(fù)制波導(dǎo)、一個(gè)空間光調(diào)制器和一個(gè)幾何相位透鏡作為核心，并利用這個(gè)2.5mm厚的光學(xué)疊層來(lái)傳送全彩3D全息圖像。另外，團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的Pupil-HOGD梯度下降算法，以根據(jù)用戶不同的瞳孔大小進(jìn)行正確的相位計(jì)算。相關(guān)論文：Ultra-thin (2.5 mm) glasses-form factor VR display supporting 3D holographic images
需要注意的是，所述的雙目可穿戴原型僅提供22.8度對(duì)角線視場(chǎng)，2.3 mm的靜態(tài)和8 mm的動(dòng)態(tài)視窗，但支持3D聚焦提示，重量?jī)H為60g（不包括驅(qū)動(dòng)板）而且厚度僅為2.55mm。另外，團(tuán)隊(duì)坦誠(chéng)圖像質(zhì)量，光瞳直徑與控制，以及系統(tǒng)集成方面依然存在提升空間，所以接下來(lái)研究人員將繼續(xù)致力于優(yōu)化迭代。值得一提的是，英偉達(dá)并非唯一一支探索眼鏡形態(tài)VR顯示器的團(tuán)隊(duì)。例如，Meta曾在2020年展示了一款類似的設(shè)備原型。
如上圖所示，研究人員提出的全新近眼顯示器結(jié)合了全息光學(xué)元件和基于偏振的光學(xué)折疊層。設(shè)備僅采用細(xì)薄平面薄膜作為光學(xué)元件，并實(shí)現(xiàn)了小于9毫米的顯示器厚度，同時(shí)支持與當(dāng)今消費(fèi)類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品相當(dāng)?shù)囊晥?chǎng)（這個(gè)單綠FOV為 水平92° x 垂直69°）。https://news.nweon.com/96809原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：英偉達(dá)、斯坦福大學(xué)展示2.55毫米厚23°FOV超薄全息VR眼鏡
