Nvidia Stanford U 提出輕薄全息眼鏡

可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)及其堂兄增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)未能點(diǎn)燃世界，這在很大程度上是技術(shù)上可以稱為 The Dork Factor 的結(jié)果。在虛擬世界中觀看所必需的智能護(hù)目鏡對(duì)于除了最頑固的書呆子之外的任何人來說看起來和感覺起來都很糟糕。

多年來，F(xiàn)acebook 的 Oculus 部門的護(hù)目鏡有所改進(jìn)，但最新的 Meta Quest 2 型號(hào)仍然不是大多數(shù)人愿意在城里佩戴的護(hù)目鏡。Vuzix 的眼鏡可能更接近于時(shí)尚宣言，但它們的顯示能力是原始的，不是人們想要長時(shí)間注視的任何東西。

不過不要害怕，幫助可能正在路上。Nvidia 在斯坦福大學(xué)的幫助下，上個(gè)月提出了它所謂的全息眼鏡，其原型只有十分之一英寸厚，重 60 克，可以放入普通眼鏡的框架中。它還超越了典型的 2-D 圖形，生成 3-D 圖像，允許聚焦場景的特定區(qū)域，并隨著佩戴者的移動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

該技術(shù)結(jié)合了多種尖端硬件組件和新穎的軟件方法。

正如Nvidia 和斯坦福的作者 Jonghyun Kim 以及斯坦福的 Manu Gopakumar、Suyeon Choi、Yifan Peng 和 Gordon Wetzstein 以及 Nvidia 的 Ward Lopes在博客文章和隨附的論文和視頻中所述，全息眼鏡是“全息近眼顯示系統(tǒng)，可為每只眼睛提供 2D 或 3D 圖像呈現(xiàn)，設(shè)備厚度僅為幾毫米。”

“首次展示了真正的眼鏡外形全息 VR，”他們寫道。

該硬件由 Kim 和團(tuán)隊(duì)首先作為臺(tái)式裝置構(gòu)建，然后作為 3D 打印的可穿戴眼鏡原型構(gòu)建，首先關(guān)注的是如何使耳機(jī)變薄。

關(guān)鍵是要縮小用戶眼睛和眼前屏幕之間的大空間。存在空間的原因是屏幕和位于鏡頭和眼睛之間的鏡頭之間需要一定的“焦距”。

“商業(yè) VR 顯示器基于放大鏡原理，”他們寫道，“鏡頭放大微型顯示器的圖像以創(chuàng)建用戶在一定距離處感知的虛擬圖像。” 這就產(chǎn)生了一個(gè)權(quán)衡：“放大鏡成功地通過大眼箱提供了廣闊的視野，但鏡頭和顯示器之間的大距離導(dǎo)致了笨重的設(shè)備外形。”

相反，作者將三個(gè)基本組件放在一起：波導(dǎo)，它接收激光束并在狹小空間內(nèi)衍射光;空間光調(diào)制器，其從從波導(dǎo)出來的光束投射圖像;以及一種稱為幾何相位透鏡的特殊透鏡，可聚焦來自調(diào)制器的光以適合人眼。

元件排列圖和眼鏡的工作原理。頂部的光從激光器進(jìn)入波導(dǎo)，離開波導(dǎo)并撞擊空間光調(diào)制器，在那里它被液晶操縱并送回波導(dǎo)，一部分光再次離開波導(dǎo)通過眼睛瞳孔的幾何相位透鏡。

金等人，2022 年

通過使用夾在調(diào)制器上的窄波導(dǎo)和幾何相位透鏡，組件比 Quest 等產(chǎn)品中使用的組件更薄，并且不需要透鏡和圖像之間的大氣隙。

這些組件都是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的。例如，空間光調(diào)制器來自一家名為Holoeye的公司，該公司生產(chǎn)多種光學(xué)設(shè)備。調(diào)制器的原理是控制一系列液晶，使它們在空間中旋轉(zhuǎn)。當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們會(huì)調(diào)制從波導(dǎo)發(fā)出的光束的相位。這導(dǎo)致光在顯示表面上形成全息圖像。

這種新穎的設(shè)計(jì)不僅減少了厚度，它還具有“傳統(tǒng) VR 顯示器所沒有的兩個(gè)明顯特征”。

這兩個(gè)方面是一個(gè)“動(dòng)態(tài)眼箱”和一個(gè)基于軟件的優(yōu)化稱為“高衍射級(jí)”，兩者都可以以新穎的方式改善人們看到的東西。

動(dòng)態(tài)眼盒是指能夠控制投影全息圖像的方向。通過改變光線進(jìn)入波導(dǎo)的角度，全息圖像照射到眼睛的角度也可以改變，以模擬空間中物體的形狀以獲得 3-D 效果。

高衍射級(jí)允許優(yōu)化人看到的圖像。一個(gè)人的瞳孔相對(duì)于衍射級(jí)之間的間隔有多大會(huì)影響質(zhì)量，這是光線到達(dá)瞳孔的角度的函數(shù)。如果這些間隔太小，就會(huì)引起對(duì)鏡頭與圖像距離的各種額外考慮，這又會(huì)帶來設(shè)備體積大的問題。

為了避免這個(gè)問題，作者試圖通過一種算法對(duì)高衍射級(jí)之間的間隔進(jìn)行優(yōu)化，使其比瞳孔直徑寬，即大于 8 毫米。

作者修改了去年由 Nvidia 同事 Manu Gopakumar 和其他人引入的現(xiàn)有算法，稱為高階梯度下降或“HOGD”，它“獨(dú)特地優(yōu)化了相位模式”。

在 Gopakumar 和團(tuán)隊(duì)的 HOGD 算法中，Kim 和團(tuán)隊(duì)添加了一個(gè)變量來表示瞳孔大小，創(chuàng)建了“Pupil-HOGD”。

正如 Kim 及其同事所說，“新穎的 Pupil-HOGD 算法對(duì)瞳孔孔徑進(jìn)行建模，在所有瞳孔大小下都能產(chǎn)生最佳圖像質(zhì)量。

盡管示例規(guī)格看起來很漂亮，但這里有許多注意事項(xiàng)。一個(gè)是功耗問題，根本沒有解決?？纱┐髟O(shè)備一直受到限制，不僅受到時(shí)尚失敗的限制，還受到受限于墻上電源或電池壽命不足的限制。

正如作者所寫，他們的原型可以從定制設(shè)計(jì)的組件中受益匪淺。例如，波導(dǎo)“提供不均勻的照明以及有點(diǎn)混亂的相位，這會(huì)降低可穿戴原型結(jié)果的質(zhì)量，”他們寫道。“通過為全息眼鏡設(shè)計(jì)的波導(dǎo)，可穿戴原型的圖像質(zhì)量可以得到改善，”他們寫道。

此外，這款可穿戴設(shè)備的視野僅為 22.8 度，屬于非常狹窄的視野，“遠(yuǎn)小于商用 VR/AR 顯示器”。狹窄的視野是 Holoeye 商用相位調(diào)制器和幾何相位透鏡焦距的限制。作者認(rèn)為，一些改進(jìn)的解決方案，例如將兩個(gè)幾何相位透鏡堆疊在一起，可以將視場增加到 120 度，而不會(huì)增加太多體積。

當(dāng)然，人們想知道設(shè)備頂部出現(xiàn)的那些帶狀連接器(如兔耳)將如何以一種不顯眼的方式集成。