Facebook AR/VR全息光学模组进展:新论文展示HOE元件制作工艺

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去年6月,Facebook曾公布过一项基于全息光学和折叠光路的VR光学方案,可用于打造支持激光光源、具备视网膜级分辨率的轻量化VR眼镜。据悉,基于该方案打造的光学模组厚度可控制在8.9毫米内,视场角依然可超过90°。

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从Facebook公布的轻量化“VR眼镜”原型来看,基于全息光学的VR原型看起来比华为VR Glass等偏振式折叠光路短焦VR头显更轻量化,厚度更加接近普通墨镜。同样是基于折叠光路,采用全息光学元件又有哪些优势呢?

目前市面上的VR光学结构通常由显示源和透镜两大部分,其中显示模组已经可以做到足够薄,但透镜体积依然难以控制。即使透镜本身足够薄,但由于透镜和显示模组之间需要保留对焦空间,这两大部分组成的光学模组体积依然较大。相比之下,全息光学透镜比传统的折射式透镜更薄,而且达到同样优秀的显示效果同时,光线路径更短,因此整体模组更薄。

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不过,目前该光学方案研究还处于概念验证阶段,而且光学性能优秀的全息光学元件在设计和制作上,比传统的折射光学元件难得多。

近期,FRL在ACM SIGGRAPH Asia期间公开了一种全新的AR/VR全息光学方案论文。论文中描述了一种关于自由曲面HOE(全息光学元件)的设计和制造工艺。该工艺可生成具有复杂相位剖面和高选择性的体积光栅。此外,这种工艺还可降低像差,并且将衍射效率优化至理想的波长和角度,弥补制造HOE元件时造成的材料收缩。

细节方面,HOE可用于光束重定向,配合激光光源可实现轻量化的AR/VR显示系统。它的优势在于,可避免传统折射和反射光学方案的体积和折射率,对于光学性能的限制。此外,HOE的体积光栅结构也具有选择性和多路传输的特性。其中选择性指的是,自衍射特定入射角度或波长的光束,而多路传输性指的是叠加多层体积光栅的能力。多层体积光栅结构的优势在于,可以独立捕捉红、绿、蓝三色的全息光束,生成RGB图像。

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Facebook表示:HOE是一种厚仅10微米的聚合物,HOE上的体积光栅可将光线灵活的重定向。此外,全息光学元件(HOE)可用于AR/VR等多样化的场景,但是设计和制造受到简单波前(波阵面最前方的曲面)设置的限制。而通过干扰HOE的信号波前和参考波前,可记录体积光栅的变化,不过接下来波前数据的计算是一大难点。

与传统的自由曲面折射光学方案相似,HOE可根据应用场景灵活优化,而科研人员在论文中展示的,则是一种专为AR/VR头显优化的HOE方案。首先,优化光栅的横向和纵向(xy)部分,来降低点分布函数。接着,优化z轴光路,进而优化光效。

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HOE光栅的设计完成后,科研人员通过两种方式生成用于记录HOE光路的波前,即:

1)利用金刚石车削制造一对自由曲面折射光学模组来调节波前,显示全息图像,并结合一种新的迭代算法来进行计算。通过多次调整和测试,科研人员可以通过光学表面生成的波前来预测预期的光栅;这个方案的制造速度更慢、成本更高,但可实现高效的光学质量,适用于工业应用场景。

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2)利用全息打印技术生成HOE光栅,而全息图像则是由多个全息模块(hogel)拼接而成,不过为全息打印计算理想的波前,需要解决一些优化难题。与第一个方案相比,全息打印的设计仅实现有限的光学质量,同时大幅加速制造过程,大约只需要几小时即可完成,适合原型产品快速迭代。

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尽管如此,两种制作工艺都有一些优化问题需要解决,于是科研人员分别为两种工艺设计了不同的算法。利用上述光学设计,科研人员研发出可用于焦散和成效的全彩色HOE元件。

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总之,在这篇论文中科研人员指出了一种更适合轻量化AR/VR头显的定制化复杂HOE设计方案,以及两种可能的制造工艺。通过优化算法和设计,进一步提升AR/VR显示效果,优化HOE体积光栅的选择性和多路传输效果。

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此外,还开发了一些特殊应用场景的HOE模组,比如:非球面透镜设计、头显透镜设计、透镜阵列、RGB焦散投影元件,并对比不同方案的显示效果。

未来,科研人员计划将这种光学制造工艺应用于曲面模组上,他们表示:采用曲面透镜的优势在于,具有HOE涂层的曲面玻璃或遮光罩更适合AR/VR头显或眼镜。参考:FB

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责任编辑:小新
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