前不久，Facebook Reality Labs（以下簡(jiǎn)稱(chēng)FRL）公布了一項(xiàng)結(jié)合AR全息衍射技術(shù)的VR光學(xué)方案，被看作是未來(lái)AR與VR技術(shù)融合、同時(shí)具備兩者優(yōu)勢(shì)的新品類(lèi)。

近期，F(xiàn)RL再次公布了一項(xiàng)與舊金山大學(xué)伯克利分校共同合作的新研究，論證出一種可以擴(kuò)大全息顯示視場(chǎng)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(shì)是能夠呈現(xiàn)出高質(zhì)量的3D畫(huà)面，通過(guò)SLM可以產(chǎn)生各個(gè)方向的光，能夠?qū)崿F(xiàn)像素級(jí)的變焦顯示，校正光學(xué)系統(tǒng)像差，適用于小型化光學(xué)元件。

因此，全息技術(shù)也非常適合AR/VR等近眼顯示設(shè)備。

然而當(dāng)前的全息顯示應(yīng)用在AR/VR中應(yīng)用時(shí)，動(dòng)眼框（Eyebox）和視場(chǎng)角（FOV）相互制約，想要獲得大的動(dòng)眼框，就要犧牲視場(chǎng)角大小，反之亦然。

Eyebox示意圖

Eyebox是頭戴式顯示設(shè)備中一個(gè)非常重要的因素，尤其是在AR設(shè)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(shuō)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(dòng)一下AR設(shè)備你看到的虛擬內(nèi)容就會(huì)不完整，極大降低用戶體驗(yàn)。

而FOV也是一個(gè)提升視覺(jué)體驗(yàn)的重要因素，它直接決定著你能夠看到的虛擬圖像的畫(huà)幅大小，F(xiàn)OV越大顯示虛擬圖像面積越大，沉浸式體驗(yàn)的效果也就越好。然而，在傳統(tǒng)非全息光學(xué)中獲得大視場(chǎng)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(yàn)FOV要≥90度。

而全息顯示器如果將FOV設(shè)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?cái)?shù)，在10mm Eyebox時(shí)則需要10億個(gè)像素，不過(guò)這種方法效率低下，因?yàn)樗柘袼財(cái)?shù)太大，甚至超越人眼能解析的像素?cái)?shù)的2倍。

全息顯示擴(kuò)大視場(chǎng)角新方法

論文指出，通過(guò)靜態(tài)散射掩模來(lái)擴(kuò)大全息顯示器視場(chǎng)角則是一個(gè)另一個(gè)解決方案。

實(shí)際上該方法此前已得到應(yīng)用，但是場(chǎng)景比較簡(jiǎn)單，例如只有幾十個(gè)點(diǎn)的風(fēng)景類(lèi)內(nèi)容。因此，為了推進(jìn)這一方法來(lái)解決全息顯示視場(chǎng)角問(wèn)題，必須大幅提升分辨率，以達(dá)到現(xiàn)代化的顯示水平。

視場(chǎng)角示意圖（左：傳統(tǒng)光學(xué)，右：增加散射掩模層）

簡(jiǎn)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(diǎn)也就更多。而本論文提出的方法關(guān)鍵點(diǎn)在于，全息圖像限制在SLM空間頻率范圍內(nèi)，從而把噪點(diǎn)控制在人眼無(wú)法分辨的更高頻率上。

實(shí)驗(yàn)用的臺(tái)式原型機(jī)

據(jù)悉，該方法可以很好的使用復(fù)雜、高分辨率的實(shí)拍圖，甚至還驗(yàn)證了空間約束下，結(jié)合注視點(diǎn)渲染動(dòng)態(tài)分布圖像分辨率。同時(shí)，F(xiàn)acebook與加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)了框架，來(lái)優(yōu)化這些參數(shù)，并在一臺(tái)原型機(jī)上得以驗(yàn)證。

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

同時(shí)論文提出目前該方法的一些優(yōu)勢(shì)與局限性。

優(yōu)勢(shì)：

• 通過(guò)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(guò)增加頻率和空間約束，顯示提高了顯示分辨率，實(shí)測(cè)結(jié)果比SLM更好的大視場(chǎng)角高分辨率圖像。

未來(lái)AR眼鏡應(yīng)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(shì)：

• 由于顯示設(shè)備視場(chǎng)角參數(shù)超過(guò)SLM原生，因此對(duì)比度較低；

• 計(jì)算時(shí)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(zhǎng)，依然需要優(yōu)化；

• 目前原型僅支持單色顯示；

• 該方法對(duì)設(shè)備準(zhǔn)度要求極高，應(yīng)用到AR、VR中難度較大。

總的來(lái)說(shuō)，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中還有待優(yōu)化與改進(jìn)，但也讓我們看到使用新的SLM技術(shù)實(shí)現(xiàn)全息顯示的新算法有著極大的潛力，尤其是在未來(lái)小型化和大眾化需求的時(shí)代。