一. AR/VR關鍵挑戰

增強現實（AR）和虛擬現實（VR）被認為是下一代的頭戴顯示技術，能夠給予使用者沉浸式的3D互動體驗。近期，伴隨著元宇宙（名詞解釋>）概念的興起，AR/VR顯示再次受到廣泛關注。人們希望AR/VR顯示在有著更好的視覺體驗（視場角，出瞳大小，解析度等）的同時，還有著如眼鏡般輕便的造型。

在半導體行業中，電晶體尺寸的減少往往能帶來效能和能耗的同步提升，這也催生了我們熟知的摩爾定律（名詞解釋>）。然而，在光學設計中不存在摩爾定律。縮小光學系統的尺寸往往意味著系統光學效能某種程度的犧牲。這其中最有代表性的就是光學不變數帶來的視場角和出瞳大小之間的妥協。如何在不增加甚至減少光學系統體積的同時提升其光學效能，成為了AR/VR顯示中最核心的問題之一。

鑑於此，美國中佛羅里達大學的吳詩聰教授團隊以“Augmented reality and virtual reality displays: emerging technologies and future perspectives”為題在 Light: Science & Applications 發表綜述論文。本文第一作者是美國中佛羅里達大學博士生熊江浩。

全息記錄（名詞解釋>）和刻蝕工藝（名詞解釋>）的兩大類新型平面光學器件為AR/VR顯示設計帶來了新的曙光。全息器件有著記錄和復現任意光波前的特性，其主要分為液晶全息器件和體全息器件。液晶器件有著偏振選擇性和動態調節等特點，而體全息器件有著強選擇性和復刻等性質。

而基於光、電子束、離子束的刻蝕工藝則催生了浮雕光柵、超表面、微發光二極體等器件。得益於刻蝕技術的高自由度，這些器件同樣也為AR/VR顯示的設計帶來了新的思路（圖2）。

圖2. 基於全息記錄和刻蝕技術的新型平面光學器件用於AR/VR顯示

二. 把光路“摺疊”

在不犧牲光學效能的前提下，摺疊光路是縮小光學系統體積的一種方法，如圖3所示。在VR中，利用“餅乾光路”（pancake optics）的架構，光路能夠被摺疊三次，從而大大減少系統的厚度（3a圖）。而用輕薄的全息器件來代替傳統的光學元件，能更進一步地減少系統的體積和重量，使得VR顯示系統能夠擁有接近眼鏡的外形。

圖3. 摺疊光路示意圖

a) 餅乾光路 b)波導光路

在AR中，摺疊光路可以透過波導顯示的架構來實現（3b圖）。顯示光機中的光透過耦入光柵的衍射進入波導中後，經過多次全內反射後被耦出光柵匯出到人眼。波導顯示能夠將光路摺疊數百次，從而打破了光學不變數的限制。作為其核心器件，耦合光柵的設計無疑是重中之重。而新型平面器件中，液晶全息光柵、體全息光柵、浮雕光柵、超表面等為耦合光柵提供了多種設計思路和自由度。同時，微發光二極體的快速發展更為波導光機的高亮度和進一步小型化帶來新的希望。

三. 動態調節光路

傳統基於幾何光學的顯示系統一般有著固定的光路結構。然而AR/VR顯示的高效能要求往往需要顯示系統擁有動態調節的功能，以解決傳統幾何光學難以處理的輻輳調節衝突（vergence accommodation conflict）和出瞳調控（pupil steering）等問題。所幸，以液晶器件為代表的全息器件能夠在保證成像質量和小巧體積的同時，實現動態調節光路的功能，如圖4所示。

輻輳調節衝突(名詞釋義>)是3D顯示中著名且棘手的問題。傳統3D顯示系統固定的光路導致其擁有固定焦距和光學深度。而其顯示的3D物體的深度往往是可變的。這之間的差別，會導致觀者的視覺疲勞和眩暈。解決輻輳調節衝突的一種方法是讓顯示系統擁有可變的焦距。

而利用透射全息液晶透鏡的電可調製特性，這一目標能夠被精巧地實現（圖4a）。透過疊加多個液晶透鏡並且有目的地控制各個透鏡的開關，能夠實現有多個深度的準連續變焦透鏡。除了輕薄的體積之外，液晶透鏡還有著大口徑、低造價、毫秒級的快速響應等優點。

圖4. 光路動態調節示意圖

a) 可變焦液晶透鏡 b) 出瞳調控

出瞳(名詞釋義>)調控是另一個動態調節光路的概念。其旨在基於人眼瞳孔的位置來調節系統出瞳的位置。出瞳調控不但能夠大大提高光學效率，還能夠打破光學不變數的限制。然而其在光學系統的具體實現一直是工程上的巨大挑戰。近期，結合液晶的偏振選擇特性和動態偏振轉換器，出瞳調控得以實現（圖4b）。

設計擁有匹配人眼視覺極限的輕便AR/VR顯示極具挑戰性。而基於全息記錄和刻蝕技術的新型平面光學器件無疑為這一任務帶來希望。而同時，其全新的光學架構也為光學設計帶來以下挑戰：

1）在“餅乾光路”中，需要解決的問題包括：如何實現全綵鐳射顯示，如何減少疊影，如何提高效率等。特別是當將可變焦液晶透鏡進一步整合到系統中後，問題將進一步複雜化。

2）波導設計中，如何優化出擁有良好的均一性和效率的光柵架構是其關鍵問題。同時，該架構如何解決輻輳調節衝突是另一項重大挑戰。

3）出瞳調控和計算全息顯示結合也是一個很有前景的AR架構。然而如何實現多個視點切換和搭建高容錯率的人眼追蹤系統是目前需要解決的問題。

而同時，透過和自由曲面和機器學習等技術結合，新型平面光學器件同樣具有著強大的潛力。透過進一步挖掘其設計的自由度和利用機器學習來實現有效的系統最佳化，其無疑將給未來AR/VR顯示帶來新的突破。

論文資訊：

Xiong, J., Hsiang, EL., He, Z. et al. Augmented reality and virtual reality displays: emerging technologies and future perspectives. Light Sci Appl 10, 216 (2021).

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00658-8