英偉達(dá)聯(lián)合斯坦福大學(xué)開發(fā)全新VR眼鏡設(shè)計(jì)外觀與普通眼鏡類似佩戴更舒適

提到VR眼鏡，在你的腦海中想到的可能是一款厚重且體積比普通眼鏡要大很多的儀器，這種眼鏡的佩戴體驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如普通眼鏡舒服。而最近，來自英偉達(dá)和斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)表的一項(xiàng)研究成果，將有望改變VR眼鏡體積龐大的現(xiàn)狀。

作為有著廣泛前景的一項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (VR/AR) 技術(shù)將通過各種計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用程序等為用戶帶來許多前所未有的體驗(yàn)。而目前將VR技術(shù)推廣的主要障礙之一，正是目前VR眼鏡的龐大體積，這使得用戶的穿戴體驗(yàn)并不舒適。

事實(shí)上，目前的VR顯示器之所以都體積龐大，主要原因就在于VR顯示光學(xué)器件的放大鏡原理，具體來說就是小型微型顯示器上的圖像，必須要通過鏡頭放大才能轉(zhuǎn)換為最合適用戶觀看的大小并提供較寬視野的虛擬圖像；而這也就要求在顯示器和鏡頭之間需要留出相對(duì)較大的距離。正是由于這一原因，才使得目前市面上的VR顯示器都體積較大且佩戴不舒服。

而在英偉達(dá)和斯坦福大學(xué)合作的研究中，研究人員則開發(fā)出了一款十分輕薄的外觀和普通眼鏡類似的VR顯示器，不僅將鏡片與人眼之間的距離大大縮減，而且可以提供全彩色的3D全息圖像顯示。在研究中，團(tuán)隊(duì)還制作了VR眼鏡樣機(jī)，其重量只有60克。

這一研究的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，由來自英偉達(dá)公司和斯坦福大學(xué)的金鐘鉉帶領(lǐng)。近日，相關(guān)文章也以《用于虛擬現(xiàn)實(shí)的全息眼鏡》為題發(fā)表在了英偉達(dá)公司的官網(wǎng)上。

在此之前，為了減小虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的厚重體積，許多其他研究提出了不同的解決方案。

例如，在2013年，英偉達(dá)的研究員設(shè)計(jì)了基于薄微透鏡的鏡片距人眼較近的近眼光場(chǎng)顯示器。在2015年，英特爾實(shí)驗(yàn)室通過使用彎曲的微透鏡，將這些系統(tǒng)的視場(chǎng)（FOV）擴(kuò)寬，同一年還有其他科學(xué)家提出了用針孔陣列取代微透鏡的設(shè)計(jì)。

不過，這些近眼光場(chǎng)顯示器都存在著空間角分辨率折衷的問題，從而使可以呈現(xiàn)的分辨率和視圖數(shù)量受到限制。

此后，2018年，Magic Leap公司的光學(xué)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)出了餅狀透鏡，將光路折疊從而減少了鏡片到人眼的距離，之后美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)院的奧贊·卡克馬克奇博士等人提出的全息餅狀透鏡，則將光學(xué)鏡片的厚度進(jìn)一步縮小。

2021年，首爾國(guó)立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院博士邦齊升等人提出的Lenslet VR顯示器，將受餅狀透鏡中采用的光路折疊原理與微透鏡相結(jié)合，使得顯示器的體積大幅減小。但是該系統(tǒng)的局限在于，只能提供2D圖像的生成功能。

而該研究中的系統(tǒng)，則可以同時(shí)生成多個(gè)不同深度的3D圖像。其開創(chuàng)之處在于，盡管這款VR眼鏡采用的是全息近眼設(shè)計(jì)以及薄波導(dǎo)，卻仍然能夠以輕而薄的體積提供高分辨率的全彩色3D圖像。

英偉達(dá)開發(fā)的這款全息眼鏡設(shè)計(jì)由一個(gè)瞳孔復(fù)制波導(dǎo)、一個(gè)空間光調(diào)制器（SLM）和一個(gè)幾何相位（GP）透鏡組成。

其工作原理簡(jiǎn)單來說如下圖所示：波長(zhǎng)為λ的相干和準(zhǔn)直光被耦合之后，進(jìn)入并穿過厚度tw、折射率nw的波導(dǎo)。之后，光以θc的會(huì)聚焦被從波導(dǎo)中耦合出，然后在厚度tp的線性偏振器處經(jīng)過偏振之后，在SLM處被調(diào)制。其中，SLM 的像素間距為p s、像素?cái)?shù)為Nx×Ny、寬度和高度分別為ws和hs。

之后，被調(diào)制的光以θs的衍射角向用戶眼鏡的方向前進(jìn)并再次遇到波導(dǎo)。在這里，部分光將被光柵以較低的衍射效率被耦合回波導(dǎo)，而其余的非耦合光則將通過厚度為tq 的四分之一波片（QWP），并在厚度為tL、焦距為fL的GP透鏡處被折射，接著在距離GP鏡 頭de的距離的人眼處成像。最終，鏡片距離視點(diǎn)的距離為de，而所提供的視場(chǎng)則為θv。

全息眼鏡的工作原理簡(jiǎn)圖

最終，視點(diǎn)與鏡片的距de、視場(chǎng)θv系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系分別為以下。

從上述公式則可以看出，在全息眼鏡設(shè)計(jì)中，優(yōu)化某一參數(shù)也可以帶來其他指數(shù)的改善。

例如下圖所示，SLM越大，鏡片距離人眼的距離de越短，可以覆蓋更大的視場(chǎng)FOV就越大；像素間距（ps）越小，產(chǎn)生的衍射角和眼框（we)就越大。

不同參數(shù)之間的關(guān)系。左側(cè)：視野（FOV,θv）與SLM 尺寸（ws）；中左：眼框（we) 與 SLM 像素間距（ps）；中右：眼距（de）與會(huì)聚角（θc）；右側(cè)：高衍射級(jí)間隔（wh）與 SLM 像素間距（ps）之間的關(guān)系。

研究人員還制作了可穿戴樣機(jī)，并用它進(jìn)行了2D和3D全息圖像的實(shí)驗(yàn)演示。所制作的可穿戴樣機(jī)鏡片厚度僅為2.5毫米，不包括SLM驅(qū)動(dòng)板的樣機(jī)重量只有60克。