我們什麼時候才能擺脫笨重的 VR 頭戴顯示器呢？
自從去年馬克·祖克伯格宣佈將全力開發「元宇宙」之後，VR、AR 等技術就在世界範圍內掀起了新一輪的熱潮。
這些技術為電腦圖形應用等領域提供了前所未有的使用者體驗。然而，時至今日，VR 頭戴顯示器的笨重依然是一個繞不開的問題，同時也阻礙了 VR 進入大眾的日常生活。
這一問題源於 VR 顯示光學的放大原理，即透過透鏡將小型微顯示器的圖像放大。這種設計要求微顯示器和鏡片之間有一段相對較大的距離，因此當前的 VR 頭戴顯示器普遍比較笨重，佩戴起來很不舒服。
為了縮短微顯示器和鏡片之間的距離，研究者們想了很多種方法，包括借助「Pancake」透鏡或波導來折疊光路等。比如在基於 Pancake 技術方案的 VR 眼鏡中，圖像源發射光線進入半反半透的鏡片之後，光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出，因此能有效地縮小產品體積。
最近兩年，我們已經可以看到一些基於 Pancake 透鏡的 VR 眼鏡原型。但是，這些眼鏡通常還需要在微顯示器和鏡片之間留出一些距離，而且要嘛只能為每只眼睛呈現 2D 圖像（可能導致視覺不適），要嘛解析度非常有限。
在最近的一篇 SIGGRAPH 2022 論文中，來自NVIDIA和史丹佛大學的研究者展示了一種新的基於 Pancake 透鏡的 VR 眼鏡——Holographic Glasses（全像眼鏡）。它的厚度只有 2.5 公釐，重 60 公克，可以向佩戴者的每隻眼睛展示 2D 或 3D 圖像。
研究者表示，他們的 Holographic Glasses 基於最近的一類想法——使用人工智慧技術來提高圖像品質，並加速電腦產生的全像圖（computer-generated holograms，CGH）的計算速度。
技術細節
這個眼鏡主要由三部分組成：一個虛擬全像顯示組件、一個幾何相位透鏡（GP lens）和一個基於瞳孔複製的波導系統。
首先來看虛擬全像顯示組件。在多數情況下，phase-only SLM（空間光調變器）會在設備前創建一個全像圖。但其實，它也可以在設備後創建，這樣一來，所有的組件都靠得更近了，系統體積大大縮小。
接下來是基於瞳孔複製的波導系統。研究者使用該系統代替分束器來進一步減小系統形狀因數。相干光源耦合到波導中，並為 SLM 提供相干照明。他們使用市場上可以買到的用於流入光源的波導，這些光源會導致某些波長的光照不均勻，但這可以透過不同的分級設計最小化。
最後，研究者用幾何相位透鏡（GP lens）代替接目鏡。幾何相位透鏡非常輕，但它僅在特定的輸入光束偏振下作為正透鏡工作，由於大多數 SLM 也在線性偏振輸入光下工作，他們在 SLM 和幾何相位透鏡之間安裝了一個波板。
透過將這些零件組裝在一起，研究者做出了 Holographic Glasses。
Holographic Glasses 的顯示特性在很大程度上取決於 SLM 和接目鏡。SLM 尺寸越大，視場（FOV，定義了在水平、垂直和對角線方向上的可視範圍）越大；SLM 像素間距越小，eye box（近眼顯示光學模組與眼球之間的一塊錐形區域，也是顯示內容最清晰的區域）越大。
Holographic Glasses 還有兩個不同於傳統 VR 眼鏡的特性。
第一個特性是高衍射級（HDOs）。優秀像素的週期性結構產生了重複的高衍射級，並且由於接目鏡的作用，它們沿著瞳孔平面收斂。如果高衍射級的間隔小於瞳孔直徑，那麼用 HOGD 演算法進行相位計算時就必須考慮高衍射級。
瞳孔掩蔽項 M_p 將 HOGD 演算法擴展為「瞳孔 HOGD（Pupil-HOGD）」演算法。它使相位模式得到最佳化，同時考慮瞳孔濾波。
模擬結果表明，與雙相位幅度編碼（DPAC）隨機梯度下降和傳統的 HOGD 演算法相比，瞳孔 HOGD 演算法在所有瞳孔大小下的圖像品質最好。
第二個特性是動態 eye box。
由於波導被設計用來再現具有一定範圍的暫態光角的光場，所以整個 SLM 照明的方向可以由輸入光束的方向控制。有了額外的柵極追蹤器，系統可以跟隨注視，並通過簡單地改變輸入光束的方向來圍繞視點移動。
研究者實現了兩種形態的原型機：桌上型和可穿戴式。二者之間的唯一區別是可穿戴式使用了波導。
下圖顯示了桌上型原型機捕捉到的結果。放大後的細節顯示，HOGD 演算法呈現出了更高的圖像品質和更高的對比度。
下面還有一個例子，紅色箭頭戴顯示器示的是由於 GP 透鏡缺失導致的 SLM 雜散光造成的偽影。
下圖是用桌上型原型機捕獲的多平面 3D 結果。結果顯示，在不同的平面上對焦圖像是正確的，可以誘發使用者的適應反射。
下圖是可穿戴式原型機生成的結果：圖像品質、對比度均較差，這主要是由於波導與實現的相干光源之間不匹配，可以透過不同的分級設計來改善。
局限性
從當前的技術介紹來看，這款 VR 眼鏡還有一些局限。
第一個局限是 FOV。雖然這款眼鏡的 FOV 有望超過當前這一代的 VR 頭戴顯示器，但現在我們能看到的這版只有 22.8°。
「這款 Holographic Glasses 的 FOV 比當前市場上可以買到的 VR/AR 頭戴顯示器都要小。但是，FOV 主要受 SLM 尺寸和 GP 透鏡焦距的限制，二者都可以透過不同的組件加以改善。」研究者表示。
另一個局限是，這款眼鏡可能需要非常精確地測量使用者的瞳孔。如果沒有經過精巧的設計，這是很難實現的。不過，研究人員指出，使用紅外凝視追蹤器可以做到這一點，但你需要能夠不斷追蹤佩戴者的瞳孔大小，因為在使用眼鏡時，它們會經常調整以適應不同的光線條件。
即便如此，這款 VR 眼鏡還是有很多令人印象深刻的地方，不知道哪家公司會率先將其商業化。
更多細節請參見論文原文。
資料來源：
- Holographic Glasses for Virtual Reality
- Researchers find way to shrink a VR headset down to normal glasses size