實現(xiàn)無輻輳調(diào)節(jié)沖突的體全息波導AR 3D顯示

元宇宙是一種與現(xiàn)實平行的3D世界，能夠極大促進人類的生活和工作。包含AR和VR在內(nèi)的近眼顯示被認為是進入元宇宙的大門。然而，真正實現(xiàn)3D顯示以滿足人眼所有的深度感知線索是極具挑戰(zhàn)性的，光場顯示、體顯示及全息顯示等3D顯示技術(shù)在AR或VR中的應用尚處于研究早期。目前實現(xiàn)3D顯示的主要手段為基于雙目視差的3D顯示，存在輻輳調(diào)節(jié)沖突問題，導致觀看者產(chǎn)生眩暈等不適感，不利于長時間觀看。

圖1. 輻輳調(diào)節(jié)沖突原因

圖1中給出人眼產(chǎn)生輻輳調(diào)節(jié)沖突的原因。L和R分別為近眼顯示中，微顯示器通過光學系統(tǒng)為人眼呈現(xiàn)的虛像平面，與觀看者距離為Zi,當來自于L平面上A點的光和來自于R平面B點的光分別到達人的左眼和右眼時，在大腦的視覺合成中，人眼會感受到空間P點的存在，即通過雙目視差實現(xiàn)了3D顯示。然而顯示的二維圖像僅在Zi深度的平面是清晰的，人眼會自動的聚焦于虛像平面，而觀看3D物體時人眼的雙目視軸會匯聚于P點，匯聚的深度Zp與圖像深度Zi的不一致是導致輻輳調(diào)節(jié)沖突的原因。

解決該問題的一個重要技術(shù)是:麥克斯韋圖，即通過擴大虛擬成像平面的焦深范圍，使得人眼匯聚的3D像點與在該深度的虛擬圖像清晰度相當，從而實現(xiàn)了匯聚與聚焦的統(tǒng)一。

通過限制進入人眼的一個物點的光斑尺寸(物點的發(fā)光角范圍)可擴大成像平面的焦深范圍，如圖2所示，我們用一個透鏡來代替人眼來進行說明。圖2(a)中P點發(fā)出的光以一個大的張角（光斑）進入人眼，成像于P’點，當P’恰好在人的視網(wǎng)膜上時呈清晰的像，當人眼的焦距調(diào)節(jié)后，擴散斑的尺寸迅速變大，從而觀看模糊，對應于顯示圖像焦深短的情況。而通過限制進入人眼光斑的尺寸（如圖2（b）），在像點P’附近人眼焦距調(diào)節(jié)時，形成的光斑仍然較小，從而具有高的清晰度，即對應顯示圖像焦深長的情況。

圖2. 焦深控制的原理

實現(xiàn)大焦深范圍顯示的另一重要途徑為：激光掃描投影LBS。如圖3所示為LBS光機結(jié)構(gòu)圖，三色LD發(fā)出的激光準直后通過二向色鏡合束后，通過掃描振鏡掃描投影形成圖像，由于激光光線直徑很細，約1mm左右，從圖像源的角度直接限制了物點的發(fā)光角度或光斑尺寸，使得投影圖像在任意深度范圍內(nèi)均能夠清晰地顯示。

圖3. LBS光機結(jié)構(gòu)圖

圖4. 反射式體全息光柵陣列波導

結(jié)合上述原理，瓏璟光電設(shè)計并實現(xiàn)了一種反射式體全息光柵陣列波導AR顯示，通過對反射式體全息光柵波導中的耦出光柵進行空間取樣，減小進入人眼的圖像光斑的尺寸來擴大顯示圖像的焦深范圍。圖4為拍攝的反射式體全息光柵陣列波導，可以看出若干離散的耦出光柵區(qū)域，即所述的體全息光柵陣列。

圖5. 不同聚焦深度，反射式體全息光柵波導與反射式體全息

光柵陣列波導拍攝的顯示效果對比

圖5為通過反射式體全息光柵波導與反射式體全息光柵陣列波導拍攝的顯示效果對比，實驗時使用的光機相同，從中可以看出，采用反射式體全息光柵陣列波導可實現(xiàn)0.4米至無窮遠的清晰顯示，實現(xiàn)了大焦深的AR顯示效果。另外，將LBS與反射式體全息光柵陣列波導相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更加緊湊的AR顯示效果并實現(xiàn)更高的顯示亮度。

在上述方案中，人眼通過不同體全息光柵陣列單元觀看圖像時，會產(chǎn)生一定的跳變，該問題可通過偏振復用或波長復用，使用多層波導結(jié)合眼動跟蹤來解決，結(jié)合雙目視差原理，采用該技術(shù)可實現(xiàn)無輻輳調(diào)節(jié)沖突的體全息波導AR 3D顯示。

審核編輯 ：李倩