采用复用全息光学元件的双模可转换光透式头戴式3D显示器

《Displays》：Dual-mode convertible optical see-through head-mounted 3D display using multiplexed holographic optical element

双模光学系统通过体积全息光栅动态切换全视像与视网膜投影模式，平衡高分辨率与深度感知，解决视差冲突问题，实验验证其可行性。

　　

刘汉林|李强|童新阳|刘志伟|韩晨景

西安电子科技大学电子工程学院，中国西安710071

摘要

近眼显示器作为连接现实世界与虚拟世界的重要接口，对元宇宙的发展提供了关键支持。然而，传统的头戴式显示器通常存在视差-调节冲突问题，在实现三维（3D）显示时需要在分辨率和深度感知之间进行权衡。为了解决这些问题，本文提出了一种基于复用全息光学元件的双模光学透明头戴式3D显示系统。该系统利用体积全息光栅中的角度复用技术，同时记录透镜的球面波前和微透镜阵列的球面波前。根据入射光的角度，系统可以在整体成像模式和视网膜投影模式之间动态切换。整体成像模式提供完整的深度线索，如全视差、遮挡和焦点调节，从而实现具有真实深度感的3D显示；而视网膜投影模式则能够始终保持焦点清晰并实现高分辨率成像，同时提供极高的视觉舒适度。实验构建的演示系统验证了这种方法的可行性和有效性。结果证实了双模切换的稳定性，并保持了清晰的成像质量。所提出的方法具有紧凑的结构，能够在深度感知和成像分辨率之间取得平衡，为高保真度、低疲劳度的光学透明头戴式显示器提供了新的技术途径。

引言

随着无线网络带宽的迅速增加、电子和光电子产品的微型化以及云计算的普及，增强现实（AR）技术（包括光学透明[1]、[2]、[3]、视频透明[4]和反射透明[5]、[6]）已成为一个重要的研究领域。光学透明头戴式显示器（OST-HMD）[7]、[8]、[9]能够在保持对真实世界感知能力的同时，将数字信息叠加到物理世界中。它在军事和医疗领域具有广泛的应用潜力。然而，基于二维（2D）显示或双目视差三维（3D）显示的OST-HMD技术的一个根本限制是众所周知的视差-调节冲突（VAC）[10]、[11]、[12]引起的视觉疲劳问题。VAC问题是限制近眼显示器视觉舒适度的关键因素。

整体成像和视网膜投影显示作为两种典型的光学成像方法，可以根据其成像原理在不同程度上缓解这一问题。整体成像通过透镜阵列捕获并重建多视图光场信息，提供完整的物理深度线索，如视差、遮挡和调节，从而实现具有真实深度感的3D图像重建[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。然而，由于光场采样密度和像素尺寸的限制，重建图像的空间分辨率较低，因此更适合需要高深度感知的应用。相比之下，视网膜投影显示将光线汇聚在瞳孔位置，确保成像光线始终进入眼睛中央区域，从而保持视觉上的始终对焦状态[19]、[20]、[21]。这种方法总能生成清晰的高分辨率图像，提供出色的视觉舒适度，但深度感较弱，成像视野较小，更适合固定视角的高分辨率显示应用[22]、[23]。近年来，一些研究[24]、[25]、[26]尝试通过结构设计、超分辨率重建和深度自适应融合等方法实现景深和分辨率的协同优化。然而，这些改进方法直接应用于近眼显示系统仍面临挑战，因为它们无法同时实现紧凑的设备设计和动态显示性能。因此，在统一的3D显示系统中同时实现高分辨率和真实的景深仍然是一个亟待解决的问题，对于近眼显示技术的进步至关重要。

与传统的光学元件相比，全息光学元件（HOE）因其体积全息光栅结构而具有独特的选择性和复用能力。这种选择性使得HOE能够通过复用在单个全息光栅中集成多种光学功能。近年来，HOE在3D显示、增强现实和光场操控等领域引起了广泛关注。例如，一些研究[27]、[28]、[29]、[30]利用HOE的波长选择性实现了全彩色AR成像，显著提高了色彩保真度和图像对比度。此外，在单个全息介质上实现的复用记录技术[31]、[32]显著降低了系统体积和光学复杂性。这些进展凸显了HOE在多功能光学集成和高精度波前控制方面的巨大潜力。

在本文中，我们设计了复用HOE（MHOE），以实现一种双模可转换的OST头戴式3D显示器，结合了整体成像3D显示和视网膜投影显示技术。利用MHOE的独特特性，该系统不仅为缓解VAC问题提供了有前景的解决方案，还扩展了OST-HMD的应用范围。此外，该架构具有紧凑轻便的形态，这对于可穿戴设备的舒适性和实际部署至关重要。这种方法在成像清晰度和感知深度之间实现了良好的平衡，为高质量沉浸式可视化提供了理想的解决方案。

部分摘录

双模可转换OST头戴式3D显示器的原理

图1展示了基于MHOE的双模可转换OST头戴式3D显示系统的光学结构。该系统包括两个独立的显示源和一个具有体积全息光栅结构的MHOE。通过角度复用，该MHOE在同一光敏聚合物材料中同时记录两个不同的波前：一个对应于传统透镜的球面波前，另一个对应于微透镜阵列的球面波前阵列。

实验与结果

为了验证所提出的双模OST头戴式3D显示器的可行性，我们首先建立了一个用于MHOE的光学制造平台。如图3所示，实验装置包括两个激光器、一个分束器、一个准直模块、一个透镜、一个微透镜阵列和一个MHOE记录组件。透镜和微透镜阵列的波前信息通过两次连续曝光记录下来。

结论

本研究设计并验证了一种基于可重复使用的全息光学元件的双模可切换光学透明显示系统。实验结果表明，制造的MHOE具有优异的角度和波长选择性。两次曝光形成的光栅在空间上保持独立，没有明显的串扰，双通道衍射效率也保持稳定。使用该组件构建的演示系统实现了始终对焦的效果。

未引用的参考文献

[34]。

资助

本研究得到了中国博士后科学基金会（CPSF）博士后奖学金计划（GZC20232026）、陕西省自然科学基础研究计划（2025JC-YBQN-839）、陕西省博士后科学基金会（2023BSHEDZZ162, 2024BSHSDZZ151）以及国家自然科学基金（62505239）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。