前不久，Facebook Reality Labs（以下簡稱FRL）公布了一項結(jié)合AR全息衍射技術(shù)的VR光學方案，被看作是未來AR與VR技術(shù)融合、同時具備兩者優(yōu)勢的新品類。

近期，F(xiàn)RL再次公布了一項與舊金山大學伯克利分校共同合作的新研究，論證出一種可以擴大全息顯示視場角的方法。

全息顯示的優(yōu)劣分析

在論文《High Resolution étendue Expansion for Holographic Displays》中提到，全息技術(shù)的優(yōu)勢是能夠呈現(xiàn)出高質(zhì)量的3D畫面，通過SLM可以產(chǎn)生各個方向的光，能夠?qū)崿F(xiàn)像素級的變焦顯示，校正光學系統(tǒng)像差，適用于小型化光學元件。

因此，全息技術(shù)也非常適合AR/VR等近眼顯示設備。

然而當前的全息顯示應用在AR/VR中應用時，動眼框（Eyebox）和視場角（FOV）相互制約，想要獲得大的動眼框，就要犧牲視場角大小，反之亦然。

Eyebox示意圖

Eyebox是頭戴式顯示設備中一個非常重要的因素，尤其是在AR設備中，它直接影響著你能夠看到虛擬圖像的范圍大小，直接的說它就決定著你日常佩戴AR眼鏡的靈活度，假如Eyebox太小，稍微動一下AR設備你看到的虛擬內(nèi)容就會不完整，極大降低用戶體驗。

而FOV也是一個提升視覺體驗的重要因素，它直接決定著你能夠看到的虛擬圖像的畫幅大小，F(xiàn)OV越大顯示虛擬圖像面積越大，沉浸式體驗的效果也就越好。然而，在傳統(tǒng)非全息光學中獲得大視場角并不難，例如Oculus Rift可以直接用大面積顯示屏，而在全息顯示中由空間光調(diào)制器（SLM）所限制。

通常而言，想要獲得身臨其境的體驗FOV要≥90度。

而全息顯示器如果將FOV設定在90度，Eyebox則只有1mm多，意味著眼鏡稍微晃一下就看不到圖像；而暴力解決方案就是增加SLM像素數(shù)，在10mm Eyebox時則需要10億個像素，不過這種方法效率低下，因為所需像素數(shù)太大，甚至超越人眼能解析的像素數(shù)的2倍。

全息顯示擴大視場角新方法

論文指出，通過靜態(tài)散射掩模來擴大全息顯示器視場角則是一個另一個解決方案。

實際上該方法此前已得到應用，但是場景比較簡單，例如只有幾十個點的風景類內(nèi)容。因此，為了推進這一方法來解決全息顯示視場角問題，必須大幅提升分辨率，以達到現(xiàn)代化的顯示水平。

視場角示意圖（左：傳統(tǒng)光學，右：增加散射掩模層）

簡述原理就是，全息顯示的波前被掩模散射，自由度比SLM更大，輸出的分辨率更高，因此噪點也就更多。而本論文提出的方法關(guān)鍵點在于，全息圖像限制在SLM空間頻率范圍內(nèi)，從而把噪點控制在人眼無法分辨的更高頻率上。

實驗用的臺式原型機

據(jù)悉，該方法可以很好的使用復雜、高分辨率的實拍圖，甚至還驗證了空間約束下，結(jié)合注視點渲染動態(tài)分布圖像分辨率。同時，F(xiàn)acebook與加州大學伯克利分校設計了框架，來優(yōu)化這些參數(shù)，并在一臺原型機上得以驗證。

AR原型效果展示：左上角為原圖，下方兩個為不同深度的圖像，橙色框代表擴展前原有FOV大小

同時論文提出目前該方法的一些優(yōu)勢與局限性。

優(yōu)勢：

• 通過基于約束的散射掩模生成全息圖像算法，效果優(yōu)于此前的技術(shù)方案；

• 通過增加頻率和空間約束，顯示提高了顯示分辨率，實測結(jié)果比SLM更好的大視場角高分辨率圖像。

未來AR眼鏡應用概念示意圖：左為基于Maimone等原方法的緊湊全息方案，右為增加散射掩模層，可不犧牲FOV增大Eyebox

劣勢：

• 由于顯示設備視場角參數(shù)超過SLM原生，因此對比度較低；

• 計算時間也比此前（論文提到的Buckley et al. 2006; Park et al. 2019; Yu et al. 2017b）方法要長，依然需要優(yōu)化；

• 目前原型僅支持單色顯示；

• 該方法對設備準度要求極高，應用到AR、VR中難度較大。

總的來說，雖然實驗結(jié)果在實際應用中還有待優(yōu)化與改進，但也讓我們看到使用新的SLM技術(shù)實現(xiàn)全息顯示的新算法有著極大的潛力，尤其是在未來小型化和大眾化需求的時代。