去年6月，F(xiàn)acebook曾公布過一項基于全息光學(xué)和折疊光路的VR光學(xué)方案，可用于打造支持激光光源、具備視網(wǎng)膜級分辨率的輕量化VR眼鏡。據(jù)悉，基于該方案打造的光學(xué)模組厚度可控制在8.9毫米內(nèi)，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(xué)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(xué)元件又有哪些優(yōu)勢呢？
目前市面上的VR光學(xué)結(jié)構(gòu)通常由顯示源和透鏡兩大部分，其中顯示模組已經(jīng)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(xué)模組體積依然較大。相比之下，全息光學(xué)透鏡比傳統(tǒng)的折射式透鏡更薄，而且達到同樣優(yōu)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(xué)方案研究還處于概念驗證階段，而且光學(xué)性能優(yōu)秀的全息光學(xué)元件在設(shè)計和制作上，比傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件難得多。
近期，F(xiàn)RL在ACM SIGGRAPH Asia期間公開了一種全新的AR/VR全息光學(xué)方案論文。論文中描述了一種關(guān)于自由曲面HOE（全息光學(xué)元件）的設(shè)計和制造工藝。該工藝可生成具有復(fù)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(yōu)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(jié)方面，HOE可用于光束重定向，配合激光光源可實現(xiàn)輕量化的AR/VR顯示系統(tǒng)。它的優(yōu)勢在于，可避免傳統(tǒng)折射和反射光學(xué)方案的體積和折射率，對于光學(xué)性能的限制。此外，HOE的體積光柵結(jié)構(gòu)也具有選擇性和多路傳輸?shù)奶匦?。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(jié)構(gòu)的優(yōu)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(xué)元件（HOE）可用于AR/VR等多樣化的場景，但是設(shè)計和制造受到簡單波前（波陣面最前方的曲面）設(shè)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(shù)據(jù)的計算是一大難點。
與傳統(tǒng)的自由曲面折射光學(xué)方案相似，HOE可根據(jù)應(yīng)用場景靈活優(yōu)化，而科研人員在論文中展示的，則是一種專為AR/VR頭顯優(yōu)化的HOE方案。首先，優(yōu)化光柵的橫向和縱向（xy）部分，來降低點分布函數(shù)。接著，優(yōu)化z軸光路，進而優(yōu)化光效。
HOE光柵的設(shè)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(xué)模組來調(diào)節(jié)波前，顯示全息圖像，并結(jié)合一種新的迭代算法來進行計算。通過多次調(diào)整和測試，科研人員可以通過光學(xué)表面生成的波前來預(yù)測預(yù)期的光柵；這個方案的制造速度更慢、成本更高，但可實現(xiàn)高效的光學(xué)質(zhì)量，適用于工業(yè)應(yīng)用場景。
2）利用全息打印技術(shù)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(yōu)化難題。與第一個方案相比，全息打印的設(shè)計僅實現(xiàn)有限的光學(xué)質(zhì)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(chǎn)品快速迭代。
盡管如此，兩種制作工藝都有一些優(yōu)化問題需要解決，于是科研人員分別為兩種工藝設(shè)計了不同的算法。利用上述光學(xué)設(shè)計，科研人員研發(fā)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(fù)雜HOE設(shè)計方案，以及兩種可能的制造工藝。通過優(yōu)化算法和設(shè)計，進一步提升AR/VR顯示效果，優(yōu)化HOE體積光柵的選擇性和多路傳輸效果。
此外，還開發(fā)了一些特殊應(yīng)用場景的HOE模組，比如：非球面透鏡設(shè)計、頭顯透鏡設(shè)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(xué)制造工藝應(yīng)用于曲面模組上，他們表示：采用曲面透鏡的優(yōu)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(wǎng)
