60克2.5毫米！英偉達、斯坦福搞出超薄全息VR眼鏡｜Siggraph 2022

在Siggraph 2022上，斯坦福和英偉達聯手搞了一個僅有2.5mm的輕薄VR全息眼鏡。

有點審美的人都會感覺這個眼鏡戴上有點「蟹老闆」那味兒，但比起戴一個笨重頭顯強多了。

它僅有60g重，就拿Meta Quest 2（約507g）相比，足以見其有多輕。

這個VR全息眼鏡由瞳孔複製波導，空間光調製器，還有一個幾何相位透鏡組成。

可以通過僅有2.5mm厚的元器件通過光學堆棧（optical stack）提供全綵的3D圖像。

論文地址：https://dl.acm.org/doi/10.1145/3528233.3530739

這項工作的其他貢獻還有：

· 設計了一種全綵3D全息近眼顯示器，具有類似眼鏡的輕薄外形，在一個新穎的光學佈局中結合了一個幾何相位（GP）透鏡、一個瞳孔複製波導和一個僅有相位的空間光調製器（SLM）。

· 設計並實現了一個Pupil-HOGD算法框架，用於全息眼鏡的3D全息圖像合成。

另外，作者還提出了一種全新光瞳高階梯度下降算法，可以根據用户的同瞳孔大小進行正確的相位計算。

就是，這個視野有點窄了

這幅雙目全息鏡可提供22.8°對角視場，2.3mm靜態和8mm動態eye box，並且支持3D聚焦信號。

然而，受限於SLM的大小和GP鏡頭的焦距，22.8°的視場還是太窄了。

研究人員稱，「兩者都可以通過不同的組件來改善。」

此外，這個原型機另一個限制是如何才能非常精確地測量使用者的瞳孔。

儘管使用紅外凝視追蹤器可以做到這一點，但需要不斷地去追蹤佩戴者的瞳孔，因為其在使用眼鏡時會根據不同的光線條件進行調整。

但不管怎麼説，這款VR眼鏡也有許多令人深刻的地方。

正如研究人員所説，利用用户的瞳孔作為一個自然的傅里葉濾波器，以及Pupil-HOGD算法能夠考慮到高分辨率像素和瞳孔大小，一個真正的VR全息眼鏡第一次被正式提出。

部分核心組件

瞳孔複製波導

全息近眼顯示器需要一個相干的光源和一個空間光調製器（SLM），通常在純相位的模式下運行。

目前大多數系統要麼使用分光鏡立方體，要麼使用離軸照明來創造一個入射在SLM上的平面或球形源波，而這些設計需要佔用大量的空間。對此，作者通過使用為傳統光學透視AR顯示器設計的瞳孔複製波導將其降到最低。

全息近眼顯示器

利用純相位的SLM進行2D或3D成像，所需的距離要比GP鏡頭的焦距略小。而如果把SLM直接安裝在波導上，就可以儘量減少顯示器的厚度。

全息透鏡原理圖

幾何相位（GP）透鏡和偏振控制

GP透鏡，也被稱為Pancaratnam-Berry相位透鏡，是一種依賴於偏振的液晶（LC）透鏡，對於某個輸入光束的偏振，它可以作為一個正透鏡工作。由於這種GP透鏡往往很薄很輕，所以此前的一些近眼顯示器設計都是基於GP透鏡的。

使用GP透鏡作為全息眼鏡的目鏡

目前，一些VR頭顯採用菲涅爾透鏡作為目鏡，但這些光學元件的鋸齒結構在與相干光源一起使用時，會產生偽影。

因此，作者在SLM和GP透鏡之間安裝了一個四分之一波板（QWP），將線性偏振輸入光轉化為GP透鏡所需的右手圓偏振（RCP）光。該透鏡反過來將RCP光轉換為左手圓偏振（LCP）光。

僅有9mm，Meta的VR概念鏡

值得一提的是，Meta的虛擬現實研發部門Reality Labs也曾在2020年研發一款9mm的可摺疊眼鏡，概念圖形狀酷似墨鏡。

爲了減少光學元件的體積，Meta採用了一種全息光學配上激光技術，用全息透鏡來傳送光束的方法。

這一透鏡使用了基於偏振的光學摺疊（polarization－based optical folding）的技術。

它可以控制光線在鏡頭內的前后移動，因而光線可以在透鏡之間來回穿越。

這樣一來，就能縮減實際顯示器和聚焦圖像的鏡頭之間的空間，也就能夠實現9mm的輕薄厚度。

傳統透鏡與Meta透鏡全息摺疊光線對比

除了輕薄之外，Meta這款概念鏡可以支持更廣闊色域和鮮艷色彩的顯示，內置的可視屏幕具備視網膜級的分辨率。

但是，到目前為止，Meta這款輕量化VR眼鏡原型機實拍圖僅僅支持單綠色，在未來纔會推出全綵圖像的設備。

但是比起英偉達和斯坦福這項研究，Meta概念機型視野有90度，圖像顯示要寬敞得多。

目前，英偉達這款眼鏡仍是在研發測試中。

不知是否會成為元宇宙顛覆性產品，讓我們拭目以待。

（聲明：本文僅代表作者觀點，不代表新浪網立場。）