前不久，Facebook Reality Labs（以下簡稱FRL）公布了一項結合AR全息衍射技術的VR光學方案，被看作是未來AR與VR技術融合、同時具備兩者優勢的新品類。

近期，FRL再次公布了一項與舊金山大學伯克利分校共同合作的新研究，論證出一種可以擴大全息顯示視場角的方法。

全息顯示的優劣分析

在論文《High Resolution étendue Expansion for Holographic Displays》中提到，全息技術的優勢是能夠呈現出高質量的3D畫面，通過SLM可以產生各個方向的光，能夠實現像素級的變焦顯示，校正光學系統像差，適用于小型化光學元件。

因此，全息技術也非常適合AR/VR等近眼顯示設備。

然而當前的全息顯示應用在AR/VR中應用時，動眼框（Eyebox）和視場角（FOV）相互制約，想要獲得大的動眼框，就要犧牲視場角大小，反之亦然。

Eyebox示意圖

Eyebox是頭戴式顯示設備中一個非常重要的因素，尤其是在AR設備中，它直接影響著你能夠看到虛擬圖像的范圍大小，直接的說它就決定著你日常佩戴AR眼鏡的靈活度，假如Eyebox太小，稍微動一下AR設備你看到的虛擬內容就會不完整，極大降低用戶體驗。

而FOV也是一個提升視覺體驗的重要因素，它直接決定著你能夠看到的虛擬圖像的畫幅大小，FOV越大顯示虛擬圖像面積越大，沉浸式體驗的效果也就越好。然而，在傳統非全息光學中獲得大視場角并不難，例如Oculus Rift可以直接用大面積顯示屏，而在全息顯示中由空間光調制器（SLM）所限制。

通常而言，想要獲得身臨其境的體驗FOV要≥90度。

而全息顯示器如果將FOV設定在90度，Eyebox則只有1mm多，意味著眼鏡稍微晃一下就看不到圖像；而暴力解決方案就是增加SLM像素數，在10mm Eyebox時則需要10億個像素，不過這種方法效率低下，因為所需像素數太大，甚至超越人眼能解析的像素數的2倍。

全息顯示擴大視場角新方法

論文指出，通過靜態散射掩模來擴大全息顯示器視場角則是一個另一個解決方案。

實際上該方法此前已得到應用，但是場景比較簡單，例如只有幾十個點的風景類內容。因此，為了推進這一方法來解決全息顯示視場角問題，必須大幅提升分辨率，以達到現代化的顯示水平。

視場角示意圖（左：傳統光學，右：增加散射掩模層）

簡述原理就是，全息顯示的波前被掩模散射，自由度比SLM更大，輸出的分辨率更高，因此噪點也就更多。而本論文提出的方法關鍵點在于，全息圖像限制在SLM空間頻率范圍內，從而把噪點控制在人眼無法分辨的更高頻率上。

實驗用的臺式原型機

據悉，該方法可以很好的使用復雜、高分辨率的實拍圖，甚至還驗證了空間約束下，結合注視點渲染動態分布圖像分辨率。同時，Facebook與加州大學伯克利分校設計了框架，來優化這些參數，并在一臺原型機上得以驗證。

AR原型效果展示：左上角為原圖，下方兩個為不同深度的圖像，橙色框代表擴展前原有FOV大小

同時論文提出目前該方法的一些優勢與局限性。

優勢：

• 通過基于約束的散射掩模生成全息圖像算法，效果優于此前的技術方案；

• 通過增加頻率和空間約束，顯示提高了顯示分辨率，實測結果比SLM更好的大視場角高分辨率圖像。

未來AR眼鏡應用概念示意圖：左為基于Maimone等原方法的緊湊全息方案，右為增加散射掩模層，可不犧牲FOV增大Eyebox

劣勢：

• 由于顯示設備視場角參數超過SLM原生，因此對比度較低；

• 計算時間也比此前（論文提到的Buckley et al. 2006; Park et al. 2019; Yu et al. 2017b）方法要長，依然需要優化；

• 目前原型僅支持單色顯示；

• 該方法對設備準度要求極高，應用到AR、VR中難度較大。

總的來說，雖然實驗結果在實際應用中還有待優化與改進，但也讓我們看到使用新的SLM技術實現全息顯示的新算法有著極大的潛力，尤其是在未來小型化和大眾化需求的時代。