光學研究員欲用DDHOE整合全息、光場技術 減少AR/VR設備尺寸和成本

　　2018年09月10日，面對AR/VR設備存在的缺點，比如說暈動癥或其他視覺干擾，一種充滿前景的解決方案是利用全息技術或光場技術。但這需要額外的光學元件，從而增加設備的尺寸，重量和成本，而后者一直都是阻礙相關設備取得商業成功的障礙。

　　現在，由日本和比利時組成的研究團隊正開始探索將全息術和光場技術整合在一起，通過這種方法來減少AR/VR設備的大小與成本。光學學會(The Optical Society)將于9月16日至20日在美國華盛頓舉行光學前沿大會，而這支研究團隊將會展示具體的研究。對于本屆光學前沿會，其中一個主題是虛擬現實和增強視覺，屆時一系列的研究學者將受邀談論相關的問題。

　　日本國家信息通信研究所的研究員Boaz Jessie Jackin表示：“我們在周圍看到的物體以不同的強度將光散射到不同的方向，其方式則由物體的特征(包括大小，厚度，距離，顏色，紋理)定義，然后人眼接收調制后的(散射)光，而其特征則將在人腦內進行重建。”

　　我們將能夠產生相同調制光的設備稱為真正的3D顯示器，這包括全息顯示器和光場顯示器。Jackin表示：“忠實再現所有的物體特征，即所謂的‘調制’，其成本非常昂貴。首先你需要用數字計算所需的調制，然后由液晶設備將其轉換成光信號。接下來，諸如透鏡、鏡子、光束組合器等其他光學組件需要拾取相關的光信號。”

　　通常由玻璃組成的額外光學組件發揮著非常重要的作用，因為他們影響著顯示設備的最終性能和大小。

　　這是全息光學元件可以產生很大差異的地方。Jackin解釋道：“全息光學元件是一種很薄的光敏材料，它可以復制一個或多個額外光學組件的機能。它們不笨重或巨大，可以適應更小的形狀因素。制造它們對我們來說是一個新的挑戰，但我們已經研發出了一種解決方案。”

　　對于記錄或制造可以復制玻璃光學元件機能的全息圖，其需要在記錄過程中物理存在的特定光學元件。這種記錄是一種依賴于激光和記錄薄膜的模擬過程，不涉及數字信號或數字信息。

　　Jackin表示：“記錄多個光學組件需要它們全部都出現在記錄過程之中，這十分復雜，而且在大多數情況下都無法實現。”

　　研究小組決定以數字方式印刷/記錄全息圖，并將解決方案成為“數字設計的全息光學元件”(DDHOE)。他們利用了全息記錄過程：在記錄期間不需要物理存在的光學組件，但仍然可以記錄所有光學組件的機能。

　　Jackin指出：“我們的想法是，計算所有光學機能的全息圖，并利用LCD和激光來在光學上重建它們。這種重建的光學信號類似于由所有這些光學組件一起調制的光線。然后重建的光線可用于記錄最終的全息光學元件。由于重建光具有所有的光學機能，因此在光敏膠片上記錄的全息圖將能夠利用所有這些機能來調制光線。所以，所需的所有附加光學元件都可以用一塊全息薄膜進行代替。”

　　至于應用，研究人員已經在平視光場3D顯示器上測試了DDHOE。由于這屬于透視系統，因此它適用于增強現實。

　　Jackin表示：“我們的系統使用了市場上的2D投影儀，然后在微透鏡陣列薄片上(通常是玻璃或塑料)顯示一組多視圖影像。這塊薄片接收來自投影儀的光線并對其進行調制，從而重建空間中的3D影像，因此用戶將能在3D中感知影像。”

　　這種方法克服的一大挑戰是，2D投影儀的光線會發散，所以必須在它們達到微透鏡陣列之前將其校準成平行光束，以便精確地重建空間中的3D影像。

　　Jackin解釋道：“隨著顯示器變大，準直透鏡的尺寸也會增大。這會帶來體積龐大且笨重的透鏡，系統需要較長的光路長度，而且準直透鏡的制造成本也很高。這是妨礙系統實現商業成功的一個主要瓶頸。”

　　通過將其機能集成至透鏡陣列本身，Jackin及其同事研發的解決方案完全避開了校準的需要。這種微透鏡陣列就是包含校準機能的DDHOE。

　　研究人員正繼續研發一種平視透視3D顯示器。對于采用笨重校準光學元件的當前模型而言，相信這很快就能為我們提供一種替代方案。