面向3D增强现实（AR）眼镜的波导全息显示

随着对下一代计算平台的不懈追求，近眼显示技术正在迅速发展。尤其对于增强现实（AR）应用，近几十年来已经发明并探索了多种透视近眼显示架构，例如：Birdbath显示、曲面镜型显示器、视网膜投影显示器和Pin mirror显示器等。在众多架构中，波导图像组合器（或出瞳扩展波导）由于其紧凑的形状尺寸，仍然是目前增强现实眼镜的主要候选方案。为了实现具有逼真视觉体验的3D全息显示，业界付出了巨大的努力。

作为一种近眼显示应用，波导图像组合器指的是一种薄而透明的平板，其以全内反射（TIR）模式引导光，并复制出射光瞳以传送到用户的眼睛。这些波导可以使用不同类型的光耦合元件来设计。几何波导使用板内部的部分反射表面来重新引导并提取波导中的光。衍射波导可以利用表面浮雕光栅、体布拉格光栅、偏振光栅以及超构表面或几何相位元件作为输入/输出耦合器。TIR传播可使光路不受阻碍的固定在波导中，同时不需要将体积庞大的投影器或成像光学器件放置在用户眼前。波导显示的图像投影器通常位于镜腿侧，具有无限校正透镜，可以提供高分辨率图像。波导最独特的优点是其通过光瞳复制的光学扩展量（étendue）扩展能力。这提供了具有相当大视场的动眼框（eyebox），这些优势使波导显示器成为近年增强现实显示的领先技术。

尽管波导显示器具有诸多优点，但仍存在一些局限性有待解决。首先，波导只能传输固定的深度，通常是无限共轭图像。如果将有限共轭图像投影到波导中，光瞳复制过程会产生不同光路和像差的副本，从而产生严重的重影噪声，这通常被称为焦点扩散效应。业界研究了双成像或多成像平面波导结构，但这会导致更大的形状尺寸和降低的性能，以及增加的硬件限制。此外，由于波导图像组合器的效率低，采用microLED等传统光源实现足够的亮度存在挑战。尽管激光光源可以大大降低耦合效率的损失，但它们与波导的结合使用仍然受限，因为在TIR传播期间相干光相互作用会导致伪影和显著的图像质量下降。

同时，全息显示技术被认为是终极的3D显示方案，其利用空间光调制器（SLM）来调制光的波前，还提供了其它独特优势，例如无像差、高分辨率图像、每像素深度控制、眼视差深度提示、视力校正功能以及大色域。近年，计算机生成全息图（CGH）渲染领域取得了许多进展，越来越受到业界的关注。全息显示器的几个传统问题，例如散斑、图像质量以及高计算负载，已被证明可借助增强的CGH渲染模型以及新型图形处理单元（GPU）强大的计算能力得到解决。然而，由于光学扩展量有限，为近眼全息显示器设计紧凑的架构仍然是有待解决的问题。视网膜投影类型的设计已经用位于镜腿侧的全息投影器进行了探索。然而，即便使用机械瞳孔控制，此类配置的空间和角带宽也有限，无法将足够的光学扩展量从镜腿侧传输到目镜。因此，实现符合人体工程学设计的眼镜形状和尺寸成为巨大挑战。

此前已有尝试利用波导作为照明源，通过具有嵌入全息图案的出耦合器光栅形成投影图案或图像。由于只能显示静态图像，并且在耦合输出之前波导内部不携带任何信息，所以这种方案不适合增强现实显示应用，但是，这代表了将波导和全息图像结合在一起的非常早期的尝试。

据麦姆斯咨询介绍，美国Meta公司Reality Labs Research实验室的研究人员近期在Nature Communications期刊上发表了一篇题为“Waveguide holography for 3D augmented reality glasses”的文章。在这项研究中，研究人员提出了一种名为波导全息（Waveguide holography）的紧凑型近眼显示系统，结合了波导图像组合器和全息显示器的优点。该方案与过去的研究有着本质的差异，它解决了出瞳扩展波导的焦点扩散效应。其核心思想是将出瞳扩展波导内的相干光相互作用建模为具有多通道内核的传播。通过基于相移数字全息术的复杂波前捕获系统和算法实现了精确的模型校准。结果，研究人员证明了可以通过利用该模型调制输入波前，以精确控制波导的出耦合波前。

波导全息架构示意图

研究人员通过实验验证了显示完整3D图像和光学扩展量扩展的能力，从而实现了软件控制的大型Eyebox。此外，研究人员还证明了该方案可以提供超出传统波导显示器极限的增强分辨率。

全息波导实验结果

3D显示效果

研究人员相信，这项研究成果将助推更多的后续研究，朝着真正的超紧凑3D全息AR眼镜迈出更坚实的步伐。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44032-1