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      專題欄目:ARVRMR虛擬現實

      Facebook AR/VR全息光學模組進展:新論文展示HOE元件制作工藝

      去年6月,Facebook曾公布過一項基于全息光學和折疊光路的VR光學方案,可用于打造支持激光光源、具備視網膜級分辨率的輕量化VR眼鏡。據悉,基于該方案打造的光學模組厚度可控制在8.9毫米內,視場角依然可超過90°。

      從Facebook公布的輕量化“VR眼鏡”原型來看,基于全息光學的VR原型看起來比華為VR Glass等偏振式折疊光路短焦VR頭顯更輕量化,厚度更加接近普通墨鏡。同樣是基于折疊光路,采用全息光學元件又有哪些優勢呢?

      目前市面上的VR光學結構通常由顯示源和透鏡兩大部分,其中顯示模組已經可以做到足夠薄,但透鏡體積依然難以控制。即使透鏡本身足夠薄,但由于透鏡和顯示模組之間需要保留對焦空間,這兩大部分組成的光學模組體積依然較大。相比之下,全息光學透鏡比傳統的折射式透鏡更薄,而且達到同樣優秀的顯示效果同時,光線路徑更短,因此整體模組更薄。

      不過,目前該光學方案研究還處于概念驗證階段,而且光學性能優秀的全息光學元件在設計和制作上,比傳統的折射光學元件難得多。

      近期,FRL在ACM SIGGRAPH Asia期間公開了一種全新的AR/VR全息光學方案論文。論文中描述了一種關于自由曲面HOE(全息光學元件)的設計和制造工藝。該工藝可生成具有復雜相位剖面和高選擇性的體積光柵。此外,這種工藝還可降低像差,并且將衍射效率優化至理想的波長和角度,彌補制造HOE元件時造成的材料收縮。

      細節方面,HOE可用于光束重定向,配合激光光源可實現輕量化的AR/VR顯示系統。它的優勢在于,可避免傳統折射和反射光學方案的體積和折射率,對于光學性能的限制。此外,HOE的體積光柵結構也具有選擇性和多路傳輸的特性。其中選擇性指的是,自衍射特定入射角度或波長的光束,而多路傳輸性指的是疊加多層體積光柵的能力。多層體積光柵結構的優勢在于,可以獨立捕捉紅、綠、藍三色的全息光束,生成RGB圖像。

      Facebook表示:HOE是一種厚僅10微米的聚合物,HOE上的體積光柵可將光線靈活的重定向。此外,全息光學元件(HOE)可用于AR/VR等多樣化的場景,但是設計和制造受到簡單波前(波陣面最前方的曲面)設置的限制。而通過干擾HOE的信號波前和參考波前,可記錄體積光柵的變化,不過接下來波前數據的計算是一大難點。

      與傳統的自由曲面折射光學方案相似,HOE可根據應用場景靈活優化,而科研人員在論文中展示的,則是一種專為AR/VR頭顯優化的HOE方案。首先,優化光柵的橫向和縱向(xy)部分,來降低點分布函數。接著,優化z軸光路,進而優化光效。

      HOE光柵的設計完成后,科研人員通過兩種方式生成用于記錄HOE光路的波前,即:

      1)利用金剛石車削制造一對自由曲面折射光學模組來調節波前,顯示全息圖像,并結合一種新的迭代算法來進行計算。通過多次調整和測試,科研人員可以通過光學表面生成的波前來預測預期的光柵;這個方案的制造速度更慢、成本更高,但可實現高效的光學質量,適用于工業應用場景。

      2)利用全息打印技術生成HOE光柵,而全息圖像則是由多個全息模塊(hogel)拼接而成,不過為全息打印計算理想的波前,需要解決一些優化難題。與第一個方案相比,全息打印的設計僅實現有限的光學質量,同時大幅加速制造過程,大約只需要幾小時即可完成,適合原型產品快速迭代。

      盡管如此,兩種制作工藝都有一些優化問題需要解決,于是科研人員分別為兩種工藝設計了不同的算法。利用上述光學設計,科研人員研發出可用于焦散和成效的全彩色HOE元件。

      總之,在這篇論文中科研人員指出了一種更適合輕量化AR/VR頭顯的定制化復雜HOE設計方案,以及兩種可能的制造工藝。通過優化算法和設計,進一步提升AR/VR顯示效果,優化HOE體積光柵的選擇性和多路傳輸效果。

      此外,還開發了一些特殊應用場景的HOE模組,比如:非球面透鏡設計、頭顯透鏡設計、透鏡陣列、RGB焦散投影元件,并對比不同方案的顯示效果。

      未來,科研人員計劃將這種光學制造工藝應用于曲面模組上,他們表示:采用曲面透鏡的優勢在于,具有HOE涂層的曲面玻璃或遮光罩更適合AR/VR頭顯或眼睛。

      來源:青亭網

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