機器之心報道

編輯：張倩

我們什么時候能擺脫笨重的 VR 頭顯呢？

自從去年馬克 · 扎克伯格宣布將全力開發「元宇宙」之后，VR、AR 等技術就在世界范圍內掀起了新一輪的熱潮。

這些技術為計算機圖形應用等領域提供了前所未有的用戶體驗。然而，時至今日，VR 頭顯的笨重依然是一個繞不開的問題，同時也阻礙了 VR 走進大眾的日常生活。

這一問題源于 VR 顯示光學的放大原理，即通過透鏡將小型微顯示器的圖像放大。這種設計要求微顯示器和鏡片之間有一段相對較大的距離，因此當前的 VR 頭顯普遍比較笨重，佩戴起來很不舒服。

為了縮短微顯示器和鏡片之間的距離，研究者們想了很多種方法，包括借助「Pancake」透鏡或波導來折疊光路等。比如在基于 Pancake 技術方案的 VR 眼鏡中，圖像源發射光線進入半反半透的鏡片之后，光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出，因此能有效地縮小產品體積。

傳統菲涅爾透鏡與新式 Pancake 透鏡的對比。

最近兩年，我們已經可以看到一些基于 Pancake 透鏡的 VR 眼鏡原型。但是，這些眼鏡通常還需要在微顯示器和鏡片之間留出一些距離，而且要么只能為每只眼睛呈現 2D 圖像（可能導致視覺不適），要么分辨率非常有限。

在最近的一篇 SIGGRAPH 2022 論文中，來自英偉達和斯坦福大學的研究者展示了一種新的基于 Pancake 透鏡的 VR 眼鏡—— Holographic Glasses（全息眼鏡）。它的厚度只有 2.5 毫米，重 60 克，可以向佩戴者的每只眼睛展示 2D 或 3D 圖像。

研究者表示，他們的 Holographic Glasses 基于最近的一類想法——使用人工智能技術來提高圖像質量，并加速計算機生成的全息圖（computer-generated holograms，CGH）的計算速度。

技術細節

這個眼鏡主要由三部分組成：一個虛擬全息顯示部件、一個幾何相位透鏡（GP lens）和一個基于瞳孔復制的波導系統。

首先來看虛擬全息顯示部件。在多數情況下，phase-only SLM（空間光調制器）會在設備前創建一個全息圖。但其實，它也可以在設備后創建，這樣一來，所有的部件都靠得更近了，系統體積大大縮小。

接下來是基于瞳孔復制的波導系統。研究者使用該系統代替分束器來進一步減小系統形狀因子。相干光源耦合到波導中，并為 SLM 提供相干照明。他們使用市場上可以買到的用于流入光源的波導，這些光源會導致某些波長的光照不均勻，但這可以通過不同的分級設計最小化。

最后，研究者用幾何相位透鏡（GP lens）代替接目鏡。幾何相位透鏡非常輕，但它僅在特定的輸入光束偏振下作為正透鏡工作，由于大多數 SLM 也在線性偏振輸入光下工作，他們在 SLM 和幾何相位透鏡之間安裝了一個波板。

通過將這些部件組裝在一起，研究者做出了 Holographic Glasses。

Holographic Glasses 的顯示特性在很大程度上取決于 SLM 和接目鏡。SLM 尺寸越大，視場（FOV，定義了在水平、垂直和對角線方向上的可視范圍）越大；SLM 像素間距越小，eye box（近眼顯示光學模組與眼球之間的一塊錐形區域，也是顯示內容最清晰的區域）越大。

Holographic Glasses 還有兩個不同于傳統 VR 眼鏡的特性。

第一個特性是高衍射級（HDOs）。優秀像素的周期性結構產生了重復的高衍射級，并且由于接目鏡的作用，它們沿著瞳孔平面收斂。如果高衍射級的間隔小于瞳孔直徑，那么用 HOGD 算法進行相位計算時就必須考慮高衍射級。

瞳孔掩蔽項 M_p 將 HOGD 算法擴展為「瞳孔 HOGD（Pupil-HOGD）」算法。它使相位模式得到優化，同時考慮瞳孔濾波。

仿真結果表明，與雙相位幅度編碼（DPAC）隨機梯度下降和傳統的 HOGD 算法相比，瞳孔 HOGD 算法在所有瞳孔大小下的圖像質量最好。

第二個特性是動態 eye box。

由于波導被設計用來再現具有一定范圍的瞬時光角的光場，所以整個 SLM 照明的方向可以由輸入光束的方向控制。有了額外的柵極跟蹤器，系統可以跟隨注視，并通過簡單地改變輸入光束的方向來圍繞視點移動。

研究者實現了兩種形態的原型機：臺式和可穿戴式。二者之間的唯一區別是可穿戴式使用了波導。

下圖顯示了臺式原型機捕捉到的結果。放大后的細節顯示，HOGD 算法呈現出了更高的圖像質量和更高的對比度。

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下面還有一個例子，紅色箭頭顯示的是由于 GP 透鏡缺失導致的 SLM 雜散光造成的偽影。

下圖是用臺式原型機捕獲的多平面 3D 結果。結果顯示，在不同的平面上對焦圖像是正確的，可以誘發使用者的適應反射。

下圖是可穿戴式原型機生成的結果：圖像質量、對比度均較差，這主要是由于波導與實現的相干光源之間不匹配，可以通過不同的分級設計來改善。

局限性

從當前的技術介紹來看，這款 VR 眼鏡還有一些局限。

第一個局限是 FOV。雖然這款眼鏡的 FOV 有望超過當前這一代的 VR 頭顯，但現在我們能看到的這版只有 22.8°。

「這款 Holographic Glasses 的 FOV 比當前市場上可以買到的 VR/AR 頭顯都要小。但是，FOV 主要受 SLM 尺寸和 GP 透鏡焦距的限制，二者都可以通過不同的部件加以改善。」研究者表示。

另一個局限是，這款眼鏡可能需要非常精確地測量用戶的瞳孔。如果沒有經過精巧的設計，這是很難實現的。不過，研究人員指出，使用紅外凝視跟蹤器可以做到這一點，但你需要能夠不斷跟蹤佩戴者的瞳孔大小，因為在使用眼鏡時，它們會經常調整以適應不同的光線條件。

即便如此，這款 VR 眼鏡還是有很多令人印象深刻的地方，不知道哪家公司會率先將其商業化。