资讯
展览资讯 大型展会 灯光节 大型盛典 赛事 中标捷报 产品快讯 热门话题 艺术节 活动 演出 新闻 数艺报道 俱乐部签约
观点
大咖专访 观点洞察 书籍推荐 吐槽 设计观点 企业访谈 问答 趋势创新 论文 职场方法 薪资报价 数艺专访
幕后
幕后故事 团队访谈 经验分享 解密 评测 数艺访谈
干货
设计方案 策划方案 素材资源 教程 文案资源 PPT下载 入门宝典 作品合集 产品手册 电子书 项目对接
  • 0
  • 0
  • 0

分享

厚度仅2.5毫米,NVIDIA研发全息光波导VR方案

原创 2022-05-06

Esther|编辑

随着技术发展,VR的视觉效果和体验感越来越好,尽管如此这项技术依然存在多种技术局限,其中最明显的,就是VR笨重的外形。实际上,从2016年Rift头显问世至今,C端VR头显的体积的确在逐渐缩小,然而现有的VR头显产品依然普遍体积笨重。这主要是因为VR光学元件通常具有一定厚度,经过多年发展,这一点并没有太大改善。为此,一些VR厂商开始探索基于Pancake的超短焦光学,不过目前还没有一个将6DoF Inside-Out定位和短焦方案结合的VR一体机产品。

基于Pancake光学的超短焦VR已经足够轻便,但在NVIDIA眼中,VR还可以更小,尤其是VR光学模组的厚度、透镜和显示器之间的距离还可以缩短。因此,NVIDIA与斯坦福大学合作研发了一种基于SLM元件和光波导的全息VR显示方案,并在近期公布了这项成果。

据青亭网了解,NVIDIA的全息方案可以将VR眼镜的厚度缩短至2.5毫米,而且不仅能显示2D图像,还支持3D显示,视觉效果更立体。其最大的突破是采用精密设计的光学结构,极大缩减光学模组的厚度。值得注意的是,该方案可搭配眼球追踪模组,并采用一种Pupil-HOGD算法来校准用户的动态瞳孔尺寸(误差小于0.5毫米),以提升VR图像质量。巧妙的是,还能将用户的瞳孔作为一种天然的傅里叶滤波器。

全息VR光学原理

我们知道,VR头显的本质是将一款显示屏放在你眼前很近的地方。而人眼距离屏幕太近会看不清东西,因此为了让你在近距离看清楚VR屏幕的画面,则需要加入透镜结构来放大图像。长期以来,VR常常采用菲涅尔透镜结构,这种透镜方案的缺点是光路较长,因此光学模组的厚度偏大。相比之下,Pancake透镜采用折叠式光路,可大幅缩小整体厚度。

尽管如此,Pancake光学方案仍然具有一定厚度,而且仅能显示2D图像,因此NVIDIA研发了全息VR方案,来解决Pancake光学的痛点。

简单来讲,这项全息VR方案由三大核心部分组成:1,虚拟模式的全息显示屏;2,几何相位透镜;3,瞳孔仿生光波导。

其中,全息显示屏包含目镜、分束器、激光、纯相位空间光调制器(Phase-Only SLM)等元件。与真实模式相比,虚拟模式的全息显示屏主要区别是成像平面位置不同,好处是可缩短光路,降低硬件厚度。实际上,纯相位SLM在模组前方和后方均可显示全息图像,在前方显示时光线通过分束器反射至目镜一侧,而在后方显示时,目镜与SLM光路的距离可以进一步缩短,从而降低整体厚度。

为了进一步缩减硬件体积,NVIDIA采用了一个仿造瞳孔的光波导结构,来取代分束器,从而将全息成像位置改为人眼前。此外,还采用更轻的几何相位透镜(GP)来取代目镜。GP仅支持几种特定的光束偏振,由于大多数SLM仅支持线性偏振光,因此NVIDIA在SLM和GP透镜之间加入了一个四分之一波片(QWP)。

VR原型与优化

为了验证效果,NVIDIA设计了台式、单目和双目三种原型方案,其中双目眼镜原型的厚度仅2.5毫米,重60g,对角线FOV达22.8°,固定眼动范围为2.3毫米,动态眼动范围可达8毫米。当然,由于该方案具备可扩展性,现有的原型参数也可以进一步优化。NVIDIA表示:全息显示方案的显示特性主要由SLM和目镜决定,比如SLM体积越大则FOV越大,SLM像素越小则眼动范围越大,GP透镜焦距越短则眼距越短。

因此,尽管原型VR眼镜的FOV只有22.8°,但NVIDIA称如果采用2英寸SLM和15毫米焦距GP透镜,可将单目FOV提升至120°。此外,堆叠两个相同的GP透镜和一个圆偏振器,也可以在不大幅增加厚度的情况下将焦距减半。另外,NVIDIA设计的VR眼镜原型的眼动范围仅2.3毫米,但是通过结合眼球追踪模块,便可将眼动范围扩展至8毫米。同时,眼动范围大小与SLM的像素间距也有直接关系。

而为了优化像素细节和图像质量,NVIDIA还采用HOGD(高梯度下降)算法来取代SGD(随机梯度下降)算法来提升对比度。未来,采用专为全息VR眼镜设计的光波导,还能进一步提升图像质量。

总之,NVIDIA这项全息VR光学方案主要解决以下问题:打造支持3D显示的超薄光学方案,进一步缩短目镜/透镜与显示面板之间的距离,进而缩小VR头显厚度,以实现轻量化的全天候外观设计。它是一种基于SLM和光波导的方案,并非传统的透镜和显示面板组合结构。

相比于传统VR光学,全息显示方案还有两个不同点:1)衍射级更高;2)具备动态眼动范围,SLM光照方向可由输入光束的角度来控制,在结合眼球追踪模块后,可跟随注视点和视角变化来同步改变输入光束的角度,从而实现动态变焦,解决视觉辐辏调节冲突问题。

实际上,NVIDIA的全息VR方案也让人联想到此前Meta曾展示的一种基于HOE的VR眼镜方案。相比之下,Meta的方案采用2D全息+液晶组合,并不能显示3D立体视觉,而NVIDIA则采用全息+光波导方案,基于激光光源。不过,NVIDIA全息VR光学模组厚度仅2.5毫米左右,原型机的FOV为22.8°,不含SLM的重量为60g,作为对比Meta全息VR眼镜原型厚度9毫米左右,视场角高达90°范围,两者技术路径不同导致有明显差异。

参考:

https://research.nvidia.com/publication/2022-08_holographic-glasses-virtual-reality

 
每天五分钟,轻松了解前沿科技。    
         —— 青亭网  
阅读原文

* 文章为作者独立观点,不代表数艺网立场转载须知

本文内容由数艺网收录采集自微信公众号青亭网 ,并经数艺网进行了排版优化。转载此文章请在文章开头和结尾标注“作者”、“来源:数艺网” 并附上本页链接: 如您不希望被数艺网所收录,感觉到侵犯到了您的权益,请及时告知数艺网,我们表示诚挚的歉意,并及时处理或删除。

数字媒体艺术 新媒体艺术 科技艺术 VR 全息VR光学原理

13460 举报
  0
登录| 注册 后参与评论