朱非凡 譚中偉

摘 ?要：文章綜述了以傳統(tǒng)光學(xué)透鏡為主和以光波導(dǎo)元件為主的近眼顯示設(shè)備，前者結(jié)構(gòu)簡單，但最終實(shí)現(xiàn)較小的視場角并且設(shè)備體積較大;后者使用光波導(dǎo)元件作為近眼顯示設(shè)備，擴(kuò)大眼動(dòng)范圍，使用擴(kuò)瞳技術(shù)提升場視角，得到了成像質(zhì)量更好的圖像。為了提升用戶的沉浸式體驗(yàn)感，將全息技術(shù)和近眼顯示技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維顯示，并提出了基于計(jì)算全息技術(shù)應(yīng)用于近眼顯示設(shè)備所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);光波導(dǎo);計(jì)算全息;近眼顯示;出瞳擴(kuò)展

中圖分類號(hào)：TP391.9;O436 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）21-0041-04

Abstract： This paper summarizes the near eye display equipment based on traditional optical lens and optical waveguide element. The former has simple structure， but finally realizes small field angle and has a large volume; the latter uses the optical waveguide element as the near eye display device to expand the eye movement range， and uses the mydriasis technology to improve the field angle of view， so as to obtain an image with better imaging quality. In order to improve the users immersive experience， holographic technology and near eye display technology are combined to realize dynamic three-dimensional display， the technical challenges of applying computer-generated hologram technology to near eye display devices are put forward.

Keywords： augmented reality technology; optical waveguide; computer-generated hologram ; near eye display; exit pupil expansion

0 ?引 ?言

隨著下一代移動(dòng)通信的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)受到了廣泛關(guān)注[1]，國內(nèi)外掀起了一股“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”研究浪潮。歸其原因，是傳統(tǒng)二維顯示技術(shù)到三維顯示技術(shù)的轉(zhuǎn)變，三維顯示相對于二維平面顯示，增加了深度信息。在智能手機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)功能長久依托于一塊二維屏幕上時(shí)，具有強(qiáng)大立體感、交互式體驗(yàn)感、沉浸感的虛擬顯示和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)體現(xiàn)其優(yōu)勢，有望成為下一代移動(dòng)信息通信平臺(tái)。用戶可同時(shí)與虛擬場景和真實(shí)場景中的事物進(jìn)行交互[2]。

頭戴式顯示AR（HeadMount Display， HMD）[3]將微型顯示器所成的虛像，經(jīng)過光學(xué)元件耦合入人眼，外界光線通過光學(xué)器件透射到人眼，因而，用戶能感受到更為真實(shí)自然的虛擬與真實(shí)場景疊加效果，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的。如今，伴隨著AR產(chǎn)品的浪潮和技術(shù)的不斷發(fā)展，AR產(chǎn)品在傳統(tǒng)的教育、文化和游戲領(lǐng)域取得了豐碩成果，在軍事、醫(yī)療和建筑領(lǐng)域也煥發(fā)出強(qiáng)大生命力。

1 ?傳統(tǒng)光學(xué)透鏡的AR顯示設(shè)備

根據(jù)近眼顯示設(shè)備的不同，主要可分為以傳統(tǒng)光學(xué)透鏡為主的AR顯示設(shè)備和以光波導(dǎo)光學(xué)元件為主的AR顯示設(shè)備。光機(jī)發(fā)射的光線與外部環(huán)境中的光線透過棱鏡疊加，耦入人眼，達(dá)到虛擬與現(xiàn)實(shí)疊加的目的。

基于透鏡的AR顯示設(shè)備，最具有代表性的產(chǎn)品就是2012年谷歌公司發(fā)布的Google Glass，這種方案視場角較小，亮度較低，且由于使用棱鏡，產(chǎn)品重量也難以降低。其中，基于曲面棱鏡的光學(xué)元件方案如圖1所示，光線經(jīng)過全反射面反射到自由曲面棱鏡后又再次反射進(jìn)人的眼睛，產(chǎn)生虛擬圖像，外部物體的反射光透過棱鏡進(jìn)入眼鏡，產(chǎn)生真實(shí)圖像。相較于透反式AR顯示設(shè)備，基于自由曲面的光學(xué)元件只需要一個(gè)自由曲面棱鏡結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更好的成像效果，但要想得到更大的視場角，自由曲面棱鏡的曲率也會(huì)隨之增大，這會(huì)造成光學(xué)模組的體積和重量變大，導(dǎo)致其實(shí)用性下降。聯(lián)想Mirage采用了Birdbath光學(xué)設(shè)計(jì)方案，主要原理也與上述原理相似。其分光鏡與垂直于額頭的顯示光源角度相差45°，由分光鏡透射的外界光源與顯示光源在合成器上合成后耦入人眼。因此，以傳統(tǒng)光學(xué)透鏡為主要方案的AR顯示設(shè)備無法平衡大視場角和更為緊湊的外形體積的要求。

2 ?光波導(dǎo)AR顯示設(shè)備

光波導(dǎo)近眼顯示設(shè)備是光學(xué)近眼顯示的一種全新方案，利用波導(dǎo)鏡片作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)出瞳擴(kuò)展，增大眼動(dòng)范圍（eye-box），相較于前文所提到的幾種顯示方案，光學(xué)透過率更高，視場角增大，成像質(zhì)量更為優(yōu)越，外形尺寸也更為緊湊，是目前消費(fèi)市場的主流發(fā)展方案。

2.1 ?出瞳擴(kuò)展

光波導(dǎo)在近眼顯示設(shè)備中最大的優(yōu)勢就是能夠進(jìn)行出瞳擴(kuò)展。首先介紹一維擴(kuò)瞳的原理，輸入光束在經(jīng)過入耦合元件，在波導(dǎo)中滿足全反射條件向前傳輸，傳輸?shù)匠鲴詈显r(shí)，一部分光通過出耦合元件衍射出波導(dǎo)，另一部分光會(huì)繼續(xù)在波導(dǎo)中以全反射式的狀態(tài)向前傳輸。當(dāng)光再次經(jīng)過出耦合元件時(shí)，一部分耦出，這樣就類似于在出瞳上，把同一束光不斷進(jìn)行“復(fù)制”，從而達(dá)到“擴(kuò)瞳”的效果，如圖2所示。

二維擴(kuò)瞳技術(shù)是在一維擴(kuò)瞳技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的，以色列威茲曼科學(xué)院是世界上較早進(jìn)行波導(dǎo)技術(shù)研究的科研單位之一，提出的平面波導(dǎo)示意圖基本原理如圖3所示，其中，光柵1為入射光柵，將光束耦入平面波導(dǎo)中，波導(dǎo)片中光束在光柵2和光柵3中再次衍射，光束在經(jīng)光柵2衍射改變了傳輸方向，完成了一維擴(kuò)展，在光柵3處實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳。二維擴(kuò)瞳技術(shù)要保證光束在三個(gè)光柵上衍射衍射角度都不一樣，但要保證其衍射方程的相位和為0，使得出射光的方向與入射光方向相同。

2.2 ?陣列光波導(dǎo)

在以部分反射微鏡陣列波導(dǎo)作為AR顯示設(shè)備中，最具有代表性的是以色列的Lumus公司。陣列光波導(dǎo)原理如圖4所示，該技術(shù)是在波導(dǎo)片中嵌入半反半透膜，通過利用多個(gè)等間距平行放置且有一定分光比的半透半反膜層實(shí)現(xiàn)對光束的耦出和出瞳擴(kuò)展，滿足HDM系統(tǒng)的大視場要求，但是其制備工藝的復(fù)雜性使得陣列光波導(dǎo)的成本居高不下。部分反射微鏡陣列對于平行度要求極高，波導(dǎo)片中半反半透膜的幾何位置的微小差異就可能導(dǎo)致致使成像質(zhì)量偏離理想值，產(chǎn)生重影，如何平衡半反半透膜的反射和透射效率進(jìn)而滿足其出瞳成像均勻性，以及加工過程中的鍍膜工藝也是要解決的問題。

2.3 ?表面浮雕光波導(dǎo)

衍射光柵作為波導(dǎo)耦合元件用在波導(dǎo)成像系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光波的耦合傳輸和擴(kuò)瞳。表面 浮雕光柵耦合元件（Surface Relief Grating， SRG）就是一種目前主流的波導(dǎo)耦合光柵應(yīng)用方案。衍射光波導(dǎo)基于光的衍射效應(yīng)，利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散，實(shí)現(xiàn)對光束的耦合。

微軟公司發(fā)布的Hololens近眼顯示系列以非對稱的傾斜光柵作為衍射元件，傾斜光柵的厚度在微米級(jí)，所以可以直接制備在波導(dǎo)片上。當(dāng)入射光透過波導(dǎo)片進(jìn)入傾斜光柵時(shí)，傾斜光柵就會(huì)作用于入射光束實(shí)現(xiàn)光束的衍射，衍射角大于波導(dǎo)片內(nèi)的全反射角，光束在波導(dǎo)片里會(huì)達(dá)到全反射條件向前傳輸，再次遇到耦合光柵后，光束就會(huì)耦合出波導(dǎo)片，進(jìn)入人眼，原理如圖5所示。為了消除光柵衍射形成的色散，需保證耦入和耦出的光柵矢量相等。入射光必須要滿足布拉格條件，即某個(gè)特定角度的傾斜光柵只會(huì)耦合某一特定入射角的光束，因此，如果要增大近眼顯示系統(tǒng)的場視角就要設(shè)計(jì)不同角度的傾斜光柵以滿足布拉格衍射的角度選擇性。

2.4 ?體全息光波導(dǎo)

體全息光波導(dǎo)屬于衍射光波導(dǎo)的一種，光學(xué)耦合元件采用的是體全息光柵（Holographic Volume Grating，VHG）。這里“全息”的含義是指在體全息光柵的制備過程中，利用兩束相干光源干涉并記錄在感光材料上形成的光柵。體全息光柵對于光的衍射作用是依靠記錄介質(zhì)內(nèi)部相對介電常數(shù)或電導(dǎo)率的周期變化實(shí)現(xiàn)的，由于光柵的記錄介質(zhì)是成周期性變化的，這就導(dǎo)致了等間隔面上的散射源會(huì)在特定方向上形成干涉，即布拉格干涉。

日本Sony公司的近眼顯示方案就是采用了一種雙層光反射式體光柵作為衍射元件，該方案總共用到6個(gè)耦合元件[4]，如圖6（a）所示。不同波長的光在波導(dǎo)片的傳輸距離不相同，體全息光柵排列在近眼顯示系統(tǒng)的不同位置，分別實(shí)現(xiàn)對紅、綠、藍(lán)三種顏色的光調(diào)制，最后從耦出元件匯聚到眼睛。此方案可減少成像色差，提高成像均勻性。此外，索尼公司的另一種雙面體全息光柵方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是體積小，雙面體全息光柵衍射效率更高，但目前只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)綠光成像，如圖6（b）所示。

3 ?全息顯示與近眼顯示技術(shù)

上述提到的各種光學(xué)顯示方案中基于雙目視差原理，匯聚在人左右眼的圖像略有差異經(jīng)過大腦融合，形成一個(gè)立體的圖像。同一個(gè)點(diǎn)經(jīng)左右眼成像上后距離略有差異，稱為水平視差，差異過大或過小，都會(huì)超過人眼的融合范圍，產(chǎn)生重影問題。全息顯示能夠重建物體波前顯示一個(gè)完整的三維圖像，不會(huì)存在因雙目視差引起的輻輳調(diào)節(jié)沖突引起的暈眩感。

4 ?基于計(jì)算全息技術(shù)的AR近眼顯示設(shè)備

全息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維模型的重建，傳統(tǒng)全息圖的制備是指在照相膠片或干板上通過記錄光的強(qiáng)度和相位信息，在參考光的照射下可以實(shí)現(xiàn)原物體復(fù)現(xiàn)。然而這種光學(xué)制備方法只適合在高精度實(shí)驗(yàn)室中完成，且產(chǎn)量較低。1965年，Kozma[5]等人提出的計(jì)算全息技術(shù)，通過數(shù)字全息疊加將三維物體發(fā)射的波前編碼成數(shù)字衍射圖案，相較于傳統(tǒng)的光學(xué)全息曝光方式，計(jì)算全息技術(shù)有著不受外界環(huán)境因素影響，易于攜帶、存儲(chǔ)、通過三維仿真軟件建模虛擬物體等優(yōu)點(diǎn)?？臻g光調(diào)制器是一種調(diào)制設(shè)備，通過控制輸入信號(hào)對光波進(jìn)行調(diào)制，從而改變光波的振幅、相位、偏振態(tài)等信息。將計(jì)算全息圖和空間光調(diào)制器有機(jī)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算全息技術(shù)的AR近眼顯示設(shè)備。

為了驗(yàn)證基于計(jì)算全息技術(shù)的AR近眼顯示設(shè)備的可行性，2015年chen[6]提出了利用全息系統(tǒng)成像，基于層析法處理將要顯示的三維物體模型的采樣點(diǎn)，提出了一種基于層析法的快速全息圖生成與實(shí)時(shí)交互全息顯示方法。近眼顯示設(shè)備系統(tǒng)主要包括了分束鏡（BS）、空間光調(diào)制器（SLM）和計(jì)算全息圖（CGH）。生成的計(jì)算全息圖加載到空間光調(diào)制器上，激光器的光源經(jīng)過4-f濾波系統(tǒng)濾除噪聲，參考光照射到空間光調(diào)制器后，經(jīng)過一個(gè)分束鏡到達(dá)人眼，外界環(huán)境光經(jīng)過另一個(gè)分束鏡到達(dá)人眼，達(dá)到“虛擬+現(xiàn)實(shí)”疊加的效果。

由于4-f濾波系統(tǒng)體積過于龐大，加之光路中存在分束鏡，以及全息成像系統(tǒng)需要準(zhǔn)直擴(kuò)束等要求，這導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此系統(tǒng)用在頭部顯示器會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的體積核重量，降低用戶的實(shí)用性和舒適性，并且此方案采用單目成像，致使用戶沉浸感差。

將全息光學(xué)元件代替4-f濾波系統(tǒng)用于近眼顯示器，可有效減小成像系統(tǒng)的體積。Ando等人提出將全息元件以離軸方式用于成像系統(tǒng)中[7]，空間光調(diào)制器中的衍射光通過一定的角度耦合到全息元件中，通過全息光學(xué)元件進(jìn)入人眼，減小了系統(tǒng)的體積，實(shí)現(xiàn)了更為緊湊的外形結(jié)構(gòu)，離軸式成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4.1 ?空間光調(diào)制器與場視角

評價(jià)近眼顯示器的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)可以用場視角（field of view， FOV），是指鏡頭所能覆蓋的最大范圍，目標(biāo)物體超過了視場角就不會(huì)出現(xiàn)在鏡頭里。在實(shí)際應(yīng)用中，偏小的視場角會(huì)造成黑邊效應(yīng)，影響AR產(chǎn)品的沉浸感。

傳統(tǒng)增大場視角的方法可使用傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，在僅使用一個(gè)透鏡的情況下實(shí)現(xiàn)對視場角的展寬，然而在實(shí)際的應(yīng)用中，龐大體積的傅里葉光學(xué)變換系統(tǒng)在AR近眼顯示中無法得到實(shí)際的應(yīng)用。另一種思路是拼接多個(gè)空間光調(diào)制器以增大場視角，這種拼接顯示系統(tǒng)可以顯示大尺寸的再現(xiàn)圖像。這種方法在原理上雖然比較簡單，但其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)卻較為復(fù)雜，導(dǎo)致整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的體積較大，增加系統(tǒng)成本。

在基于計(jì)算全息技術(shù)的AR近眼顯示設(shè)備中，空間光調(diào)制器位于系統(tǒng)的出射光瞳處，空間光調(diào)制器像素尺寸決定其最大衍射角，從而影響了動(dòng)態(tài)全息圖的最大尺寸，也就影響了最終的視場角的大小。激光器發(fā)出平面光，照射到空間光調(diào)制器，但是由空間光調(diào)制器的絕大部分像素產(chǎn)生的衍射波是無法到達(dá)人眼的，因此需要在空間光調(diào)制器之后放置一個(gè)透鏡，把平面波轉(zhuǎn)換為球面波，增大衍射角，從而得到一個(gè)大的視場角，Y.su等人提出采用離軸全息透鏡作為光源照射空間光調(diào)制器[8]，防止觀察到的圖像出現(xiàn)“混疊”，并且在空間光調(diào)制器之后引入了二次調(diào)制，場視角比這僅有單個(gè)空間光調(diào)制器的視角寬3.8倍，如圖9所示。

4.2 ?加速生成計(jì)算全息圖

傳統(tǒng)光學(xué)方法記錄的全息圖只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像的再現(xiàn)，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全息圖像的刷新。通過計(jì)算機(jī)得到的計(jì)算全息圖，加載到空間光調(diào)制器上，可以方便快速的復(fù)現(xiàn)3D全息圖，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)3D圖像顯示。動(dòng)態(tài)的三維立體顯示對計(jì)算全息圖的生成速度要求也很高。

計(jì)算全息圖像中的三維物體信息由點(diǎn)元組成，由這些點(diǎn)元發(fā)出的光波在全息圖波前疊加產(chǎn)生。在點(diǎn)元法的基礎(chǔ)上，又提出了使用面元法生成全息圖。面元法是將三維物體離散成許多層平面，由這些層物光波疊加生成。盡管基于點(diǎn)元法和面元法生成3D全息圖像原理簡單，但是三維立體圖像的取樣總量大，計(jì)算量會(huì)急劇增加，不適合三維動(dòng)態(tài)顯示。查表法的基本原理是將三維空間離散成一個(gè)個(gè)點(diǎn)，在此空間中可以形成任意形狀的三維立體圖像。所有物點(diǎn)發(fā)出的光波在全息圖的波前提前計(jì)算，然后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。當(dāng)計(jì)算某個(gè)三維物體時(shí)，先確定組成三維物體的物點(diǎn)，尋找提前在內(nèi)存中存儲(chǔ)的物點(diǎn)的波前，并進(jìn)行疊加便可得到所需的全息圖。因?yàn)橐獌?chǔ)存很多物點(diǎn)的波前數(shù)據(jù)，這對計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)性能和讀寫性能要求很高。

多邊形層析法是一種全新的方法，將三維圖形層析為多邊形的集合，對三維物體沿深度方向進(jìn)行分層處理后，將二維多邊形的截面信息傳播到全息面上的復(fù)振幅疊加，通過降低采樣速率并使用快速傅里葉變換，此方法只涉及有限平面的快速傅里葉變換，因此比前述的點(diǎn)元法、面元法和查表法生成的計(jì)算全息圖速度更快。

5 ?結(jié) ?論

隨著技術(shù)發(fā)展，AR近眼顯示設(shè)備也層出不窮，本文也介紹了不同光學(xué)技術(shù)的代表性產(chǎn)品。目前，以傳統(tǒng)光學(xué)透鏡為近眼顯示設(shè)備的產(chǎn)品因其體積大和視場角小等缺點(diǎn)而發(fā)展受限，以光波導(dǎo)元件為近眼顯示設(shè)備的產(chǎn)品受到了市場的青睞，市面上如今較為流行的AR近眼顯示產(chǎn)品大都選擇了此方案。在擴(kuò)瞳技術(shù)的指導(dǎo)下，以衍射光波導(dǎo)為光學(xué)元件的近眼顯示設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)出瞳擴(kuò)展，這大幅增大了場視角，其成像質(zhì)量更好，并解決了一定的色散問題。然而，波導(dǎo)片的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，要將結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)更高的衍射效率，再加上采用出瞳擴(kuò)展技術(shù)，導(dǎo)致衍射光波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)更為困難。并且衍射光波導(dǎo)的加工尺寸小，對加工工藝要求高，如何選擇適合的光波導(dǎo)加工材料，對未來衍射光波導(dǎo)的發(fā)展是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了減少因輻輳調(diào)節(jié)沖突產(chǎn)生的暈眩感，提升用戶的3D沉浸式體驗(yàn)，基于計(jì)算全息技術(shù)的AR近眼顯示方案被提出，這種方案的3D實(shí)現(xiàn)效果更好，此方案的實(shí)現(xiàn)的有來自硬件和軟件兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)?？臻g光調(diào)制器是動(dòng)態(tài)的光調(diào)制器，可以實(shí)現(xiàn)3D圖像的動(dòng)態(tài)刷新，可以決定了全息圖的最大尺寸，進(jìn)而決定了場視角的大小。計(jì)算全息圖可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)3D圖像的復(fù)現(xiàn)，本文介紹多種算法實(shí)現(xiàn)快速生成計(jì)算全息圖，多邊形層析法是全息光學(xué)實(shí)時(shí)顯示的最佳方案。

當(dāng)前，基于光波導(dǎo)鏡片的近眼顯示是目前顯示的主流方案，但還有一些加工工藝欠完善，及不能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)等問題。雖然基于快速生成計(jì)算全息圖的近眼顯示方案目前技術(shù)還不夠成熟，但能夠較好的實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)3D顯示，我預(yù)計(jì)其將具有很大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。

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作者簡介：朱非凡（1997—），女，漢族，河南漯河人，碩士研究生在讀，主要從事增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)近眼顯示的研究;通訊作者：譚中偉（1978—），男，漢族，河南信陽人，博士，教授，主要從事光纖通信、光纖傳感和光信息處理方面的研究。