Facebook ARVR全息光學模組進展：新論文展示HOE元件製作工藝

去年6月，Facebook曾公佈過一項基於

全息光學和摺疊光路的VR光學方案

，可用於打造支援鐳射光源、具備視網膜級解析度的輕量化VR眼鏡。據悉，基於該方案打造的光學模組厚度可控制在8。9毫米內，視場角依然可超過90°。

從Facebook公佈的輕量化“VR眼鏡”原型來看，基於全息光學的VR原型看起來比華為VR Glass等偏振式摺疊光路短焦VR頭顯更輕量化，厚度更加接近普通墨鏡。同樣是基於摺疊光路，採用全息光學元件又有哪些優勢呢？

目前市面上的VR光學結構通常由顯示源和透鏡兩大部分，其中顯示模組已經可以做到足夠薄，但透鏡體積依然難以控制。即使透鏡本身足夠薄，但由於透鏡和顯示模組之間需要保留對焦空間，這兩大部分組成的光學模組體積依然較大。相比之下，全息光學透鏡比傳統的折射式透鏡更薄，而且達到同樣優秀的顯示效果同時，光線路徑更短，因此整體模組更薄。

不過，目前該光學方案研究還處於概念驗證階段，而且光學效能優秀的全息光學元件在設計和製作上，比傳統的折射光學元件難得多。

近期，FRL在ACM SIGGRAPH Asia期間公開了一種全新的AR/VR全息光學方案論文。論文中描述了一種關於自由曲面HOE（全息光學元件）的設計和製造工藝。該工藝可生成具有複雜相位剖面和高選擇性的體積光柵。此外，這種工藝還可降低像差，並且將衍射效率最佳化至理想的波長和角度，彌補製造HOE元件時造成的材料收縮。

細節方面，HOE可用於光束重定向，配合鐳射光源可實現輕量化的AR/VR顯示系統。它的優勢在於，可避免傳統折射和反射光學方案的體積和折射率，對於光學效能的限制。此外，HOE的體積光柵結構也具有選擇性和多路傳輸的特性。其中選擇性指的是，自衍射特定入射角度或波長的光束，而多路傳輸性指的是疊加多層體積光柵的能力。多層體積光柵結構的優勢在於，可以獨立捕捉紅、綠、藍三色的全息光束，生成RGB影象。

Facebook表示：HOE是一種厚僅10微米的聚合物，HOE上的體積光柵可將光線靈活的重定向。此外，全息光學元件（HOE）可用於AR/VR等多樣化的場景，但是設計和製造受到簡單波前（波陣面最前方的曲面）設定的限制。而透過干擾HOE的訊號波前和參考波前，可記錄體積光柵的變化，不過接下來波前資料的計算是一大難點。

與傳統的自由曲面折射光學方案相似，HOE可根據應用場景靈活最佳化，而科研人員在論文中展示的，則是一種專為AR/VR頭顯最佳化的HOE方案。首先，最佳化光柵的橫向和縱向（xy）部分，來降低點分佈函式。接著，最佳化z軸光路，進而最佳化光效。

HOE光柵的設計完成後，科研人員透過兩種方式生成用於記錄HOE光路的波前，即：

1）利用金剛石車削製造一對自由曲面折射光學模組來調節波前，顯示全息影象，並結合一種新的迭代演算法來進行計算。透過多次調整和測試，科研人員可以透過光學表面生成的波前來預測預期的光柵；這個方案的製造速度更慢、成本更高，但可實現高效的光學質量，適用於工業應用場景。

2）利用全息列印技術生成HOE光柵，而全息影象則是由多個全息模組（hogel）拼接而成，不過為全息列印計算理想的波前，需要解決一些最佳化難題。與第一個方案相比，全息列印的設計僅實現有限的光學質量，同時大幅加速製造過程，大約只需要幾小時即可完成，適合原型產品快速迭代。

儘管如此，兩種製作工藝都有一些最佳化問題需要解決，於是科研人員分別為兩種工藝設計了不同的演算法。利用上述光學設計，科研人員研發出可用於焦散和成效的全綵色HOE元件。

總之，在這篇論文中科研人員指出了一種更適合輕量化AR/VR頭顯的定製化複雜HOE設計方案，以及兩種可能的製造工藝。透過最佳化演算法和設計，進一步提升AR/VR顯示效果，最佳化HOE體積光柵的選擇性和多路傳輸效果。

此外，還開發了一些特殊應用場景的HOE模組，比如：非球面透鏡設計、頭顯透鏡設計、透鏡陣列、RGB焦散投影元件，並對比不同方案的顯示效果。

未來，科研人員計劃將這種光學制造工藝應用於曲面模組上，他們表示：採用曲面透鏡的優勢在於，具有HOE塗層的曲面玻璃或遮光罩更適合AR/VR頭顯或眼睛。參考：

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