普林斯顿大学和Meta提出神经光学扩展量扩展器，为XR新时代奠基础

【蜂耘网 激光光学】全息显示器可以利用空间光调制器动态调制相干光束的波前产生光场，所以在虚拟现实和增强现实方面具有丰富的应用前景。然而，现有的动态空间光调制器有限的空间分辨率对衍射角施加了严格的限制。所以，现代全息显示器具有较低的光学扩展量，并迫使牺牲视场或显示尺寸。

在一项研究中，普林斯顿大学和Meta通过提出神经光学扩展量扩展器来解除这一限制。团队构思的新型光学元件是从自然图像数据集中学习，可以为超宽视场提供更高的衍射角度，同时保持紧凑的形状参数和显示内容的保真度。在实验中，团队以全彩实现了64倍的自然图像光学扩展量扩展，在水平和垂直方向将视场扩展了一个数量级，并就视网膜分辨率图像获得了超过29 dB的高保真重建质量。

普林斯顿大学指出，这项研究为沉浸式显示的新时代奠定了基础，研究人员使用高清3D全息图像在普通眼镜中混合真实世界和虚拟世界又近了一步。

全息图像具有真正的深度，因为它们是三维的，而显示器只是在二维屏幕模拟深度。因为我们看到的是三维，全息图像可以无缝地整合到我们日常世界的正常视图中。

其结果是一个有可能真正实现身临其境的虚拟现实和增强现实显示体验，你可以正常移动你的头，并永远不会丢失视场中的全息图像。

研究人员菲利克斯·海德（Felix Heide）说道：“全息技术可以令虚拟现实和增强现实显示器易于使用、可穿戴和超薄。”从开车时的指路，到手术中监控病人，再到在家庭维修时获取管道说明，它们可以改变我们与环境的交互方式。

最重要的挑战之一是质量。全息图像是由一种叫做空间光调制器的小芯片状装置产生。到目前为止，调制器只能产生小而清晰或大而模糊的图像。这种图像大小和清晰度之间的权衡导致了狭窄的视场，窄到无法给用户带来身临其境的体验。

针对这个问题，普林斯顿大学和Meta提出了一种神经光学扩展量扩展器。

在之前，研究人员已经探索通过在SLM前使用具有随机散射特性的光学元件来扩大显示范围。所述元件的静态特性有助于在微米尺度制造像素区域，从而带来增大的衍射角。然而，这种类型的现有元件表现出随机散射。

由于现代SLM的波前整形自由度有限，散射元件带来的随机调制导致低保真度的扩展全息图。放松超过人类视网膜分辨率的高频可以提高全息图的保真度，但显示的全息图的重建保真度依然很低。另外，在散射特性未知的情况下，你需要进行大量校准。

最近的研究探索了使用透镜和透镜阵列来扩大视场，但这种方法迫使瞳孔的位置与透镜或透镜的位置相匹配，从而缩小了有效的视窗尺寸。

普林斯顿大学和Meta研究人员建造了第二个与空间光调制器协同工作的光学元件。它们继承了前面提到的散射元件的优点。但与现有的随机散射掩模不同的是，团队设计了一个可微全息图像形成模型，使学习通过一阶随机优化。由此产生的学习波前调制将重建噪点推到人类视觉系统的可感知频带之外，同时保留自然图像的感知临界频带。

在实验中，他们的设备过滤来自空间光调制器的光以扩大视场，同时保持图像的稳定性和保真度。这种原件创建了一个更大的图像，而质量只有最小幅度的下降。

在仿真中，团队以全彩实现了64倍的自然图像光学扩展量扩展，在水平和垂直方向将视场扩展了一个数量级，并就视网膜分辨率图像获得了超过29 dB的高保真重建质量。我们用1k像素的SLM对方法进行了实验验证，而每个方向的视场都扩大了8倍。

团队指出，图像质量一直是阻碍全息显示器实际应用的核心挑战：“这项研究使我们离解决这一挑战又近了一步。”

他们解释道，新的光学元件就像一块非常小的定制磨砂玻璃。蚀刻在磨砂玻璃的图案是关键。利用人工智能和光学技术设计，蚀刻表面能够以非常精确的方式散射空间光调制器产生的光，将图像的特定元素推入人眼不易感知的频段。这提高了全息图像的质量，扩大了视场。

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不过，制造全息显示器的障碍依然存在。菲利克斯·海德表示，图像质量尚不完美，光学元件的制造工艺需要改进。但是，这项研究指出了一条可以前进的道路。

（蜂耘激光光学网 责任编辑：行云）