撰稿 | 望舒
头盔显示器(HMDs)，如虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)和智能眼镜有可能彻底改变我们的生活方式，比如交流、工作、教学、购物和娱乐。这一市场在未来几年还将变得更加成熟，能够大大提高社会效率和生产力。这类HMD设备除了要满足重量、尺寸、外形、功率、计算、无线通信的需求，还有显示、成像和传感性能方面的严格要求。
为了实现 AR、VR 和 MR HMD 的显示效果和光学组合功能，传统的光学元件和光学架构在过去几十年里得到了快速的发展，特别是在企业和消费市场以及初涉的国防领域。HMD 中的传统光学包括传统的折射率和反射光学，如谷歌 Glass、ODG、META，也包括传统的体全息光学，如 North Focus、英特尔 Vaunt 或索尼智能眼镜。
尽管这些产品的光学性能令人印象深刻，甚至有些技术已经出现在国防领域，然而，HMD 系统的外形、重量、尺寸等参数仍然无法满足消费者的需求，早期提供消费级智能玻璃显示解决方案的产品也是毁誉参半。
近年来，全息技术在头戴显示中的应用引起了广泛的关注，为解决上述问题提供了有效的解决方案。
鉴于此，微软 HoloLens 团队的 Bernard C. Kress 与 Maria Pace 在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了题为“Holographic optics in planar optical systems for next generation small form factor mixed reality headsets”的综述文章。
本文回顾了过去 10 年发展起来的各种光学技术和架构，以提供足够的解决方案来满足消费级 HMD 的巨大市场需求。
今天的消费市场有两个主要的 MR 显示体验需求：舒适度和沉浸感。
其中，舒适度有多种形式：
● 穿戴舒适
适重量，尺寸，重心，使用温度等
● 视觉舒适
自然的 3D 视觉体验，视角(FOV)大和分辨率高
● 前景舒适
稳定和现实世界融合的数字显示
● 社会舒适
社会大众可接受的形式因素和操作
沉浸感是一种多感官的感知体验(从音频到显示，从手势感知到触觉)。沉浸感可以向用户传达高度的真实感，这是实现 MR 未来关键应用之一的特性：虚拟化身与 HMD 佩戴者互动的真实感。
图1：从传统平面屏幕转移到其他屏幕时，沉浸感的显著提升的 Near-To-Eye 显示
透明式 HMD 是满足上诉两种消费级市场需求的主要技术之一，其中，光学组合元件是透明式 HMD 的关键元件，通常也是整个MR显示架构中最复杂、最昂贵的光学元件。目前在大多数MR/AR/智能眼镜中使用的光学组合元件主要有三种类型:自由空间光学合成器、全反射(TIR)棱镜光学组合器和基于波导的光学组合器。
其中，平面波导组合器的结构优势使它们对MR/AR/智能眼镜的应用具有吸引力，对此，作者介绍了波导组合系统的最新进展，特别是基于全息技术的衍射波导组合(表面浮雕衍射、体积全息和其他如超表面、共振光栅等)。同时，他们还回顾了各种反射波导组合架构，可以提供更高的效率和良好的颜色均匀性。
耦合器元件是波导组合器的关键部件。通常，耦合器结构(光栅或全息图)的指数规定了耦合器可以作用的角度和光谱带宽，从而影响 FOV 和颜色均匀性。
许多耦合器技术已经被用于工业和学术界，它们可以被定义为折射/反射或衍射/全息耦合器元件。其中，折射/反射耦合器元件包括三类：宏观的棱镜、级联嵌入式反射镜以及嵌入式微棱镜阵列。而衍射/全息耦合器类型较多，包括薄反/透射式全息耦合器、表面浮雕光栅耦合器、谐振波导光栅耦合器和超表面耦合器等。
此外，为了实现更好的彩色显示效果，作者还介绍了消色差耦合器技术以及侧漏光和彩虹效应。
为了更直观的体现出各种波导耦合器技术的特性和局限性，作者还总结了一个表格来汇总，从而方便光学设计师(或者产品项目经理)在各种波导耦合器技术的耦合效率、眼盒大小和视场颜色均匀性、大规模生产成本和尺寸/重量等参数之间选择合适的平衡和最佳折衷。
在总结完各种波导耦合器技术的特性和局限性后，作者还介绍了两种理论建模方法：严格耦合波分析法(RCWA)和时域有限差分(FDTD)法。其中，FDTD 可以模拟非周期纳米结构，而 RCWA 可以精确模拟准周期结构。此外，作者还分析了如何利用光谱来增加视场、通过优化光栅耦合器的参数来提高视场以及使用动态耦合器来增加波导组合器的功能。
之后，作者进一步总结了如何选择波导耦合器布局架构，打造统一的眼盒；介绍了衍射波导耦合器中的光谱扩展补偿方法，波导组合器中的场扩展和焦点扩散现象；讲解了如何在保证最大视场的情况下在波导组合器中传播全彩色图像，同时减少RGB显示板的数量。
另一方面，智能眼镜正在推动更小的外形因素，因此要求集成更多功能的波导结构，在智能眼镜中尤其如此。在相同的波导平台上增加的功能可能有许多种，例如：眼球追踪照明(LED)和眼球追踪传感器(CMOS传感器)、头部跟踪传感器、手势感应、人脸跟踪传感器(光学和非光学)等。
Bernard C. Kress, Maria Pace. Light: Advanced Manufacturing (2022) 3:42.
http://doi.org/10.37188/lam.2022.042
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