Nvidia Stanford U 提出轻薄全息眼镜

可以说，虚拟现实及其堂兄增强现实未能点燃世界，这在很大程度上是技术上可以称为 The Dork Factor 的结果。在虚拟世界中观看所必需的智能护目镜对于除了最顽固的书呆子之外的任何人来说看起来和感觉起来都很糟糕。

多年来，Facebook 的 Oculus 部门的护目镜有所改进，但最新的 Meta Quest 2 型号仍然不是大多数人愿意在城里佩戴的护目镜。Vuzix 的眼镜可能更接近于时尚宣言，但它们的显示能力是原始的，不是人们想要长时间注视的任何东西。

不过不要害怕，帮助可能正在路上。Nvidia 在斯坦福大学的帮助下，上个月提出了它所谓的全息眼镜，其原型只有十分之一英寸厚，重 60 克，可以放入普通眼镜的框架中。它还超越了典型的 2-D 图形，生成 3-D 图像，允许聚焦场景的特定区域，并随着佩戴者的移动进行调整。

该技术结合了多种尖端硬件组件和新颖的软件方法。

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在博客文章和随附的论文和视频中所述，全息眼镜是“全息近眼显示系统，可为每只眼睛提供 2D 或 3D 图像呈现，设备厚度仅为几毫米。”

“首次展示了真正的眼镜外形全息 VR，”他们写道。

该硬件由 Kim 和团队首先作为台式装置构建，然后作为 3D 打印的可穿戴眼镜原型构建，首先关注的是如何使耳机变薄。

关键是要缩小用户眼睛和眼前屏幕之间的大空间。存在空间的原因是屏幕和位于镜头和眼睛之间的镜头之间需要一定的“焦距”。

“商业 VR 显示器基于放大镜原理，”他们写道，“镜头放大微型显示器的图像以创建用户在一定距离处感知的虚拟图像。” 这就产生了一个权衡：“放大镜成功地通过大眼箱提供了广阔的视野，但镜头和显示器之间的大距离导致了笨重的设备外形。”

相反，作者将三个基本组件放在一起：波导，它接收激光束并在狭小空间内衍射光;空间光调制器，其从从波导出来的光束投射图像;以及一种称为几何相位透镜的特殊透镜，可聚焦来自调制器的光以适合人眼。

元件排列图和眼镜的工作原理。顶部的光从激光器进入波导，离开波导并撞击空间光调制器，在那里它被液晶操纵并送回波导，一部分光再次离开波导通过眼睛瞳孔的几何相位透镜。

金等人，2022 年

通过使用夹在调制器上的窄波导和几何相位透镜，组件比 Quest 等产品中使用的组件更薄，并且不需要透镜和图像之间的大气隙。

这些组件都是相当标准的。例如，空间光调制器来自一家名为Holoeye的公司，该公司生产多种光学设备。调制器的原理是控制一系列液晶，使它们在空间中旋转。当晶体旋转时，它们会调制从波导发出的光束的相位。这导致光在显示表面上形成全息图像。

这种新颖的设计不仅减少了厚度，它还具有“传统 VR 显示器所没有的两个明显特征”。

这两个方面是一个“动态眼箱”和一个基于软件的优化称为“高衍射级”，两者都可以以新颖的方式改善人们看到的东西。

动态眼盒是指能够控制投影全息图像的方向。通过改变光线进入波导的角度，全息图像照射到眼睛的角度也可以改变，以模拟空间中物体的形状以获得 3-D 效果。

高衍射级允许优化人看到的图像。一个人的瞳孔相对于衍射级之间的间隔有多大会影响质量，这是光线到达瞳孔的角度的函数。如果这些间隔太小，就会引起对镜头与图像距离的各种额外考虑，这又会带来设备体积大的问题。

为了避免这个问题，作者试图通过一种算法对高衍射级之间的间隔进行优化，使其比瞳孔直径宽，即大于 8 毫米。

作者修改了去年由 Nvidia 同事 Manu Gopakumar 和其他人引入的现有算法，称为高阶梯度下降或“HOGD”，它“独特地优化了相位模式”。

在 Gopakumar 和团队的 HOGD 算法中，Kim 和团队添加了一个变量来表示瞳孔大小，创建了“Pupil-HOGD”。

正如 Kim 及其同事所说，“新颖的 Pupil-HOGD 算法对瞳孔孔径进行建模，在所有瞳孔大小下都能产生最佳图像质量。

尽管示例规格看起来很漂亮，但这里有许多注意事项。一个是功耗问题，根本没有解决。可穿戴设备一直受到限制，不仅受到时尚失败的限制，还受到受限于墙上电源或电池寿命不足的限制。

正如作者所写，他们的原型可以从定制设计的组件中受益匪浅。例如，波导“提供不均匀的照明以及有点混乱的相位，这会降低可穿戴原型结果的质量，”他们写道。“通过为全息眼镜设计的波导，可穿戴原型的图像质量可以得到改善，”他们写道。

此外，这款可穿戴设备的视野仅为 22.8 度，属于非常狭窄的视野，“远小于商用 VR/AR 显示器”。狭窄的视野是 Holoeye 商用相位调制器和几何相位透镜焦距的限制。作者认为，一些改进的解决方案，例如将两个几何相位透镜堆叠在一起，可以将视场增加到 120 度，而不会增加太多体积。

当然，人们想知道设备顶部出现的那些带状连接器(如兔耳)将如何以一种不显眼的方式集成。