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60克2.5毫米!英伟达、斯坦福搞出超薄全息VR眼镜|Siggraph2022

2023-02-05 19:37:04 313

摘要:编辑:桃子 好困【新智元导读】这副VR眼镜,戴上秒变「蟹老板」。在Siggraph 2022上,斯坦福和英伟达联手搞了一个仅有2.5mm的轻薄VR全息眼镜。有点审美的人都会感觉这个眼镜戴上有点「蟹老板」那味儿,但比起戴一个笨重头显强多了。它...

编辑:桃子 好困

【新智元导读】这副VR眼镜,戴上秒变「蟹老板」。


在Siggraph 2022上,斯坦福和英伟达联手搞了一个仅有2.5mm的轻薄VR全息眼镜。



有点审美的人都会感觉这个眼镜戴上有点「蟹老板」那味儿,但比起戴一个笨重头显强多了。



它仅有60g重,就拿Meta Quest 2(约507g)相比,足以见其有多轻。



这个VR全息眼镜由瞳孔复制波导,空间光调制器,还有一个几何相位透镜组成。


可以通过仅有2.5mm厚的元器件通过光学堆栈(optical stack)提供全彩的3D图像。


论文地址:https://dl.acm.org/doi/10.1145/3528233.3530739


这项工作的其他贡献还有:


· 设计了一种全彩3D全息近眼显示器,具有类似眼镜的轻薄外形,在一个新颖的光学布局中结合了一个几何相位(GP)透镜、一个瞳孔复制波导和一个仅有相位的空间光调制器(SLM)。


· 设计并实现了一个Pupil-HOGD算法框架,用于全息眼镜的3D全息图像合成。


另外,作者还提出了一种全新光瞳高阶梯度下降算法,可以根据用户的同瞳孔大小进行正确的相位计算。


就是,这个视野有点窄了


这幅双目全息镜可提供22.8°对角视场,2.3mm静态和8mm动态eye box,并且支持3D聚焦信号。


然而,受限于SLM的大小和GP镜头的焦距,22.8°的视场还是太窄了。


研究人员称,「两者都可以通过不同的组件来改善。」


此外,这个原型机另一个限制是如何才能非常精确地测量使用者的瞳孔。


尽管使用红外凝视追踪器可以做到这一点,但需要不断地去追踪佩戴者的瞳孔,因为其在使用眼镜时会根据不同的光线条件进行调整。


但不管怎么说,这款VR眼镜也有许多令人深刻的地方。


正如研究人员所说,利用用户的瞳孔作为一个自然的傅里叶滤波器,以及Pupil-HOGD算法能够考虑到高分辨率像素和瞳孔大小,一个真正的VR全息眼镜第一次被正式提出。


部分核心组件


瞳孔复制波导


全息近眼显示器需要一个相干的光源和一个空间光调制器(SLM),通常在纯相位的模式下运行。


目前大多数系统要么使用分光镜立方体,要么使用离轴照明来创造一个入射在SLM上的平面或球形源波,而这些设计需要占用大量的空间。对此,作者通过使用为传统光学透视AR显示器设计的瞳孔复制波导将其降到最低。


全息近眼显示器


利用纯相位的SLM进行2D或3D成像,所需的距离要比GP镜头的焦距略小。而如果把SLM直接安装在波导上,就可以尽量减少显示器的厚度。


全息透镜原理图


几何相位(GP)透镜和偏振控制


GP透镜,也被称为Pancaratnam-Berry相位透镜,是一种依赖于偏振的液晶(LC)透镜,对于某个输入光束的偏振,它可以作为一个正透镜工作。由于这种GP透镜往往很薄很轻,所以此前的一些近眼显示器设计都是基于GP透镜的。


使用GP透镜作为全息眼镜的目镜


目前,一些VR头显采用菲涅尔透镜作为目镜,但这些光学元件的锯齿结构在与相干光源一起使用时,会产生伪影。


因此,作者在SLM和GP透镜之间安装了一个四分之一波板(QWP),将线性偏振输入光转化为GP透镜所需的右手圆偏振(RCP)光。该透镜反过来将RCP光转换为左手圆偏振(LCP)光。



仅有9mm,Meta的VR概念镜


值得一提的是,Meta的虚拟现实研发部门Reality Labs也曾在2020年研发一款9mm的可折叠眼镜,概念图形状酷似墨镜。


为了减少光学元件的体积,Meta采用了一种全息光学配上激光技术,用全息透镜来传送光束的方法。



这一透镜使用了基于偏振的光学折叠(polarization-based optical folding)的技术。


它可以控制光线在镜头内的前后移动,因而光线可以在透镜之间来回穿越。


这样一来,就能缩减实际显示器和聚焦图像的镜头之间的空间,也就能够实现9mm的轻薄厚度。


传统透镜与Meta透镜全息折叠光线对比


除了轻薄之外,Meta这款概念镜可以支持更广阔色域和鲜艳色彩的显示,内置的可视屏幕具备视网膜级的分辨率。



但是,到目前为止,Meta这款轻量化VR眼镜原型机实拍图仅仅支持单绿色,在未来才会推出全彩图像的设备。


但是比起英伟达和斯坦福这项研究,Meta概念机型视野有90度,图像显示要宽敞得多。



目前,英伟达这款眼镜仍是在研发测试中。


不知是否会成为元宇宙颠覆性产品,让我们拭目以待。


参考资料:

https://research.nvidia.com/publication/2022-08_holographic-glasses-virtual-reality?ncid=afm-chs-44270&ranMID=44270&ranEAID=kXQk6*ivFEQ&ranSiteID=kXQk6.ivFEQ-CqvBGw.rgJRLIihZRedSYw

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