AR/VR 显示：新兴光学技术

一. AR/VR关键挑战

增强现实（AR）和虚拟现实（VR）被认为是下一代的头戴显示技术，能够给予用户沉浸式的3D交互体验。近期，伴随着元宇宙（名词解释>）概念的兴起，AR/VR显示再次受到广泛关注。人们希望AR/VR显示在有着更好的视觉体验（视场角，出瞳大小，分辨率等）的同时，还有着如眼镜般轻便的造型。

在半导体行业中，晶体管尺寸的减少往往能带来性能和能耗的同步提升，这也催生了我们熟知的摩尔定律（名词解释>）。然而，在光学设计中不存在摩尔定律。缩小光学系统的尺寸往往意味着系统光学性能某种程度的牺牲。这其中最有代表性的就是光学不变量带来的视场角和出瞳大小之间的妥协。如何在不增加甚至减少光学系统体积的同时提升其光学性能，成为了AR/VR显示中最核心的问题之一。

鉴于此，美国中佛罗里达大学的吴诗聪教授团队以“Augmented reality and virtual reality displays: emerging technologies and future perspectives”为题在 Light: Science & Applications 发表综述论文。本文第一作者是美国中佛罗里达大学博士生熊江浩。

全息记录（名词解释>）和刻蚀工艺（名词解释>）的两大类新型平面光学器件为AR/VR显示设计带来了新的曙光。全息器件有着记录和复现任意光波前的特性，其主要分为液晶全息器件和体全息器件。液晶器件有着偏振选择性和动态调节等特点，而体全息器件有着强选择性和复刻等性质。

而基于光、电子束、离子束的刻蚀工艺则催生了浮雕光栅、超表面、微发光二极管等器件。得益于刻蚀技术的高自由度，这些器件同样也为AR/VR显示的设计带来了新的思路（图2）。

图2. 基于全息记录和刻蚀技术的新型平面光学器件用于AR/VR显示

二. 把光路“折叠”

在不牺牲光学性能的前提下，折叠光路是缩小光学系统体积的一种方法，如图3所示。在VR中，利用“饼干光路”（pancake optics）的架构，光路能够被折叠三次，从而大大减少系统的厚度（3a图）。而用轻薄的全息器件来代替传统的光学元件，能更进一步地减少系统的体积和重量，使得VR显示系统能够拥有接近眼镜的外形。

图3. 折叠光路示意图

a) 饼干光路 b)波导光路

在AR中，折叠光路可以通过波导显示的架构来实现（3b图）。显示光机中的光通过耦入光栅的衍射进入波导中后，经过多次全内反射后被耦出光栅导出到人眼。波导显示能够将光路折叠数百次，从而打破了光学不变量的限制。作为其核心器件，耦合光栅的设计无疑是重中之重。而新型平面器件中，液晶全息光栅、体全息光栅、浮雕光栅、超表面等为耦合光栅提供了多种设计思路和自由度。同时，微发光二极管的快速发展更为波导光机的高亮度和进一步小型化带来新的希望。

三. 动态调节光路

传统基于几何光学的显示系统一般有着固定的光路结构。然而AR/VR显示的高性能要求往往需要显示系统拥有动态调节的功能，以解决传统几何光学难以处理的辐辏调节冲突（vergence accommodation conflict）和出瞳调控（pupil steering）等问题。所幸，以液晶器件为代表的全息器件能够在保证成像质量和小巧体积的同时，实现动态调节光路的功能，如图4所示。

辐辏调节冲突(名词释义>)是3D显示中著名且棘手的问题。传统3D显示系统固定的光路导致其拥有固定焦距和光学深度。而其显示的3D物体的深度往往是可变的。这之间的差别，会导致观者的视觉疲劳和眩晕。解决辐辏调节冲突的一种方法是让显示系统拥有可变的焦距。

而利用透射全息液晶透镜的电可调制特性，这一目标能够被精巧地实现（图4a）。通过叠加多个液晶透镜并且有目的地控制各个透镜的开关，能够实现有多个深度的准连续变焦透镜。除了轻薄的体积之外，液晶透镜还有着大口径、低造价、毫秒级的快速响应等优点。

图4. 光路动态调节示意图

a) 可变焦液晶透镜 b) 出瞳调控

出瞳(名词释义>)调控是另一个动态调节光路的概念。其旨在基于人眼瞳孔的位置来调节系统出瞳的位置。出瞳调控不但能够大大提高光学效率，还能够打破光学不变量的限制。然而其在光学系统的具体实现一直是工程上的巨大挑战。近期，结合液晶的偏振选择特性和动态偏振转换器，出瞳调控得以实现（图4b）。

设计拥有匹配人眼视觉极限的轻便AR/VR显示极具挑战性。而基于全息记录和刻蚀技术的新型平面光学器件无疑为这一任务带来希望。而同时，其全新的光学架构也为光学设计带来以下挑战：

1）在“饼干光路”中，需要解决的问题包括：如何实现全彩激光显示，如何减少叠影，如何提高效率等。特别是当将可变焦液晶透镜进一步整合到系统中后，问题将进一步复杂化。

2）波导设计中，如何优化出拥有良好的均一性和效率的光栅架构是其关键问题。同时，该架构如何解决辐辏调节冲突是另一项重大挑战。

3）出瞳调控和计算全息显示结合也是一个很有前景的AR架构。然而如何实现多个视点切换和搭建高容错率的人眼追踪系统是目前需要解决的问题。

而同时，通过和自由曲面和机器学习等技术结合，新型平面光学器件同样具有着强大的潜力。通过进一步挖掘其设计的自由度和利用机器学习来实现有效的系统优化，其无疑将给未来AR/VR显示带来新的突破。

论文信息：

Xiong, J., Hsiang, EL., He, Z. et al. Augmented reality and virtual reality displays: emerging technologies and future perspectives. Light Sci Appl 10, 216 (2021).

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00658-8