实现无辐辏调节冲突的体全息波导AR 3D显示

元宇宙是一种与现实平行的3D世界，能够极大促进人类的生活和工作。包含AR和VR在内的近眼显示被认为是进入元宇宙的大门。然而，真正实现3D显示以满足人眼所有的深度感知线索是极具挑战性的，光场显示、体显示及全息显示等3D显示技术在AR或VR中的应用尚处于研究早期。目前实现3D显示的主要手段为基于双目视差的3D显示，存在辐辏调节冲突问题，导致观看者产生眩晕等不适感，不利于长时间观看。

图1. 辐辏调节冲突原因

图1中给出人眼产生辐辏调节冲突的原因。L和R分别为近眼显示中，微显示器通过光学系统为人眼呈现的虚像平面，与观看者距离为Zi,当来自于L平面上A点的光和来自于R平面B点的光分别到达人的左眼和右眼时，在大脑的视觉合成中，人眼会感受到空间P点的存在，即通过双目视差实现了3D显示。然而显示的二维图像仅在Zi深度的平面是清晰的，人眼会自动的聚焦于虚像平面，而观看3D物体时人眼的双目视轴会汇聚于P点，汇聚的深度Zp与图像深度Zi的不一致是导致辐辏调节冲突的原因。

解决该问题的一个重要技术是:麦克斯韦图，即通过扩大虚拟成像平面的焦深范围，使得人眼汇聚的3D像点与在该深度的虚拟图像清晰度相当，从而实现了汇聚与聚焦的统一。

通过限制进入人眼的一个物点的光斑尺寸(物点的发光角范围)可扩大成像平面的焦深范围，如图2所示，我们用一个透镜来代替人眼来进行说明。图2(a)中P点发出的光以一个大的张角（光斑）进入人眼，成像于P’点，当P’恰好在人的视网膜上时呈清晰的像，当人眼的焦距调节后，扩散斑的尺寸迅速变大，从而观看模糊，对应于显示图像焦深短的情况。而通过限制进入人眼光斑的尺寸（如图2（b）），在像点P’附近人眼焦距调节时，形成的光斑仍然较小，从而具有高的清晰度，即对应显示图像焦深长的情况。

图2. 焦深控制的原理

实现大焦深范围显示的另一重要途径为：激光扫描投影LBS。如图3所示为LBS光机结构图，三色LD发出的激光准直后通过二向色镜合束后，通过扫描振镜扫描投影形成图像，由于激光光线直径很细，约1mm左右，从图像源的角度直接限制了物点的发光角度或光斑尺寸，使得投影图像在任意深度范围内均能够清晰地显示。

图3. LBS光机结构图

图4. 反射式体全息光栅阵列波导

结合上述原理，珑璟光电设计并实现了一种反射式体全息光栅阵列波导AR显示，通过对反射式体全息光栅波导中的耦出光栅进行空间取样，减小进入人眼的图像光斑的尺寸来扩大显示图像的焦深范围。图4为拍摄的反射式体全息光栅阵列波导，可以看出若干离散的耦出光栅区域，即所述的体全息光栅阵列。

图5. 不同聚焦深度，反射式体全息光栅波导与反射式体全息

光栅阵列波导拍摄的显示效果对比

图5为通过反射式体全息光栅波导与反射式体全息光栅阵列波导拍摄的显示效果对比，实验时使用的光机相同，从中可以看出，采用反射式体全息光栅阵列波导可实现0.4米至无穷远的清晰显示，实现了大焦深的AR显示效果。另外，将LBS与反射式体全息光栅阵列波导相结合，能够实现更加紧凑的AR显示效果并实现更高的显示亮度。

在上述方案中，人眼通过不同体全息光栅阵列单元观看图像时，会产生一定的跳变，该问题可通过偏振复用或波长复用，使用多层波导结合眼动跟踪来解决，结合双目视差原理，采用该技术可实现无辐辏调节冲突的体全息波导AR 3D显示。

审核编辑 ：李倩