隨著對下一代計算平臺的不懈追求，近眼顯示技術正在迅速發展。尤其對于增強現實（AR）應用，近幾十年來已經發明并探索了多種透視近眼顯示架構，例如：Birdbath顯示、曲面鏡型顯示器、視網膜投影顯示器和Pin mirror顯示器等。在眾多架構中，波導圖像組合器（或出瞳擴展波導）由于其緊湊的形狀尺寸，仍然是目前增強現實眼鏡的主要候選方案。為了實現具有逼真視覺體驗的3D全息顯示，業界付出了巨大的努力。

作為一種近眼顯示應用，波導圖像組合器指的是一種薄而透明的平板，其以全內反射（TIR）模式引導光，并復制出射光瞳以傳送到用戶的眼睛。這些波導可以使用不同類型的光耦合元件來設計。幾何波導使用板內部的部分反射表面來重新引導并提取波導中的光。衍射波導可以利用表面浮雕光柵、體布拉格光柵、偏振光柵以及超構表面或幾何相位元件作為輸入/輸出耦合器。TIR傳播可使光路不受阻礙的固定在波導中，同時不需要將體積龐大的投影器或成像光學器件放置在用戶眼前。波導顯示的圖像投影器通常位于鏡腿側，具有無限校正透鏡，可以提供高分辨率圖像。波導最獨特的優點是其通過光瞳復制的光學擴展量（étendue）擴展能力。這提供了具有相當大視場的動眼框（eyebox），這些優勢使波導顯示器成為近年增強現實顯示的領先技術。

盡管波導顯示器具有諸多優點，但仍存在一些局限性有待解決。首先，波導只能傳輸固定的深度，通常是無限共軛圖像。如果將有限共軛圖像投影到波導中，光瞳復制過程會產生不同光路和像差的副本，從而產生嚴重的重影噪聲，這通常被稱為焦點擴散效應。業界研究了雙成像或多成像平面波導結構，但這會導致更大的形狀尺寸和降低的性能，以及增加的硬件限制。此外，由于波導圖像組合器的效率低，采用microLED等傳統光源實現足夠的亮度存在挑戰。盡管激光光源可以大大降低耦合效率的損失，但它們與波導的結合使用仍然受限，因為在TIR傳播期間相干光相互作用會導致偽影和顯著的圖像質量下降。

同時，全息顯示技術被認為是終極的3D顯示方案，其利用空間光調制器（SLM）來調制光的波前，還提供了其它獨特優勢，例如無像差、高分辨率圖像、每像素深度控制、眼視差深度提示、視力校正功能以及大色域。近年，計算機生成全息圖（CGH）渲染領域取得了許多進展，越來越受到業界的關注。全息顯示器的幾個傳統問題，例如散斑、圖像質量以及高計算負載，已被證明可借助增強的CGH渲染模型以及新型圖形處理單元（GPU）強大的計算能力得到解決。然而，由于光學擴展量有限，為近眼全息顯示器設計緊湊的架構仍然是有待解決的問題。視網膜投影類型的設計已經用位于鏡腿側的全息投影器進行了探索。然而，即便使用機械瞳孔控制，此類配置的空間和角帶寬也有限，無法將足夠的光學擴展量從鏡腿側傳輸到目鏡。因此，實現符合人體工程學設計的眼鏡形狀和尺寸成為巨大挑戰。

此前已有嘗試利用波導作為照明源，通過具有嵌入全息圖案的出耦合器光柵形成投影圖案或圖像。由于只能顯示靜態圖像，并且在耦合輸出之前波導內部不攜帶任何信息，所以這種方案不適合增強現實顯示應用，但是，這代表了將波導和全息圖像結合在一起的非常早期的嘗試。

據麥姆斯咨詢介紹，美國Meta公司Reality Labs Research實驗室的研究人員近期在Nature Communications期刊上發表了一篇題為“Waveguide holography for 3D augmented reality glasses”的文章。在這項研究中，研究人員提出了一種名為波導全息（Waveguide holography）的緊湊型近眼顯示系統，結合了波導圖像組合器和全息顯示器的優點。該方案與過去的研究有著本質的差異，它解決了出瞳擴展波導的焦點擴散效應。其核心思想是將出瞳擴展波導內的相干光相互作用建模為具有多通道內核的傳播。通過基于相移數字全息術的復雜波前捕獲系統和算法實現了精確的模型校準。結果，研究人員證明了可以通過利用該模型調制輸入波前，以精確控制波導的出耦合波前。

波導全息架構示意圖

研究人員通過實驗驗證了顯示完整3D圖像和光學擴展量擴展的能力，從而實現了軟件控制的大型Eyebox。此外，研究人員還證明了該方案可以提供超出傳統波導顯示器極限的增強分辨率。

全息波導實驗結果

3D顯示效果

研究人員相信，這項研究成果將助推更多的后續研究，朝著真正的超緊湊3D全息AR眼鏡邁出更堅實的步伐。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44032-1