厚度仅2.5毫米,NVIDIA研发全息光波导VR方案

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随着技术发展,VR的视觉效果和体验感越来越好,尽管如此这项技术依然存在多种技术局限,其中最明显的,就是VR笨重的外形。实际上,从2016年Rift头显问世至今,C端VR头显的体积的确在逐渐缩小,然而现有的VR头显产品依然普遍体积笨重。这主要是因为VR光学元件通常具有一定厚度,经过多年发展,这一点并没有太大改善。为此,一些VR厂商开始探索基于Pancake的超短焦光学,不过目前还没有一个将6DoF Inside-Out定位和短焦方案结合的VR一体机产品。

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基于Pancake光学的超短焦VR已经足够轻便,但在NVIDIA眼中,VR还可以更小,尤其是VR光学模组的厚度、透镜和显示器之间的距离还可以缩短。因此,NVIDIA与斯坦福大学合作研发了一种基于SLM元件和光波导的全息VR显示方案,并在近期公布了这项成果。

据青亭网了解,NVIDIA的全息方案可以将VR眼镜的厚度缩短至2.5毫米,而且不仅能显示2D图像,还支持3D显示,视觉效果更立体。其最大的突破是采用精密设计的光学结构,极大缩减光学模组的厚度。值得注意的是,该方案可搭配眼球追踪模组,并采用一种Pupil-HOGD算法来校准用户的动态瞳孔尺寸(误差小于0.5毫米),以提升VR图像质量。巧妙的是,还能将用户的瞳孔作为一种天然的傅里叶滤波器。

全息VR光学原理

我们知道,VR头显的本质是将一款显示屏放在你眼前很近的地方。而人眼距离屏幕太近会看不清东西,因此为了让你在近距离看清楚VR屏幕的画面,则需要加入透镜结构来放大图像。长期以来,VR常常采用菲涅尔透镜结构,这种透镜方案的缺点是光路较长,因此光学模组的厚度偏大。相比之下,Pancake透镜采用折叠式光路,可大幅缩小整体厚度。

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尽管如此,Pancake光学方案仍然具有一定厚度,而且仅能显示2D图像,因此NVIDIA研发了全息VR方案,来解决Pancake光学的痛点。

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简单来讲,这项全息VR方案由三大核心部分组成:1,虚拟模式的全息显示屏;2,几何相位透镜;3,瞳孔仿生光波导。

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其中,全息显示屏包含目镜、分束器、激光、纯相位空间光调制器(Phase-Only SLM)等元件。与真实模式相比,虚拟模式的全息显示屏主要区别是成像平面位置不同,好处是可缩短光路,降低硬件厚度。实际上,纯相位SLM在模组前方和后方均可显示全息图像,在前方显示时光线通过分束器反射至目镜一侧,而在后方显示时,目镜与SLM光路的距离可以进一步缩短,从而降低整体厚度。

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为了进一步缩减硬件体积,NVIDIA采用了一个仿造瞳孔的光波导结构,来取代分束器,从而将全息成像位置改为人眼前。此外,还采用更轻的几何相位透镜(GP)来取代目镜。GP仅支持几种特定的光束偏振,由于大多数SLM仅支持线性偏振光,因此NVIDIA在SLM和GP透镜之间加入了一个四分之一波片(QWP)。

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VR原型与优化

为了验证效果,NVIDIA设计了台式、单目和双目三种原型方案,其中双目眼镜原型的厚度仅2.5毫米,重60g,对角线FOV达22.8°,固定眼动范围为2.3毫米,动态眼动范围可达8毫米。当然,由于该方案具备可扩展性,现有的原型参数也可以进一步优化。NVIDIA表示:全息显示方案的显示特性主要由SLM和目镜决定,比如SLM体积越大则FOV越大,SLM像素越小则眼动范围越大,GP透镜焦距越短则适眼距越短。

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因此,尽管原型VR眼镜的FOV只有22.8°,但NVIDIA称如果采用2英寸SLM和15毫米焦距GP透镜,可将单目FOV提升至120°。此外,堆叠两个相同的GP透镜和一个圆偏振器,也可以在不大幅增加厚度的情况下将焦距减半。另外,NVIDIA设计的VR眼镜原型的眼动范围仅2.3毫米,但是通过结合眼球追踪模块,便可将眼动范围扩展至8毫米。同时,眼动范围大小与SLM的像素间距也有直接关系。

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而为了优化像素细节和图像质量,NVIDIA还采用HOGD(高梯度下降)算法来取代SGD(随机梯度下降)算法来提升对比度。未来,采用专为全息VR眼镜设计的光波导,还能进一步提升图像质量。

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总之,NVIDIA这项全息VR光学方案主要解决以下问题:打造支持3D显示的超薄光学方案,进一步缩短目镜/透镜与显示面板之间的距离,进而缩小VR头显厚度,以实现轻量化的全天候外观设计。它是一种基于SLM和光波导的方案,并非传统的透镜和显示面板组合结构。

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NVIDIA VR 全息 SLM

相比于传统VR光学,全息显示方案还有两个不同点:1)衍射级更高;2)具备动态眼动范围,SLM光照方向可由输入光束的角度来控制,在结合眼球追踪模块后,可跟随注视点和视角变化来同步改变输入光束的角度,从而实现动态变焦,解决视觉辐辏调节冲突问题。

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实际上,NVIDIA的全息VR方案也让人联想到此前Meta曾展示的一种基于HOE的VR眼镜方案。相比之下,Meta的方案采用2D全息+液晶组合,并不能显示3D立体视觉,而NVIDIA则采用全息+光波导方案,基于激光光源。不过,NVIDIA全息VR光学模组厚度仅2.5毫米左右,原型机的FOV为22.8°,不含SLM的重量为60g,作为对比Meta全息VR眼镜原型厚度9毫米左右,视场角高达90°范围,两者技术路径不同导致有明显差异。参考:NVIDIA

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