元宇宙是一種與現(xiàn)實(shí)平行的3D世界，能夠極大促進(jìn)人類的生活和工作。包含AR和VR在內(nèi)的近眼顯示被認(rèn)為是進(jìn)入元宇宙的大門。然而，真正實(shí)現(xiàn)3D顯示以滿足人眼所有的深度感知線索是極具挑戰(zhàn)性的，光場(chǎng)顯示、體顯示及全息顯示等3D顯示技術(shù)在AR或VR中的應(yīng)用尚處于研究早期。目前實(shí)現(xiàn)3D顯示的主要手段為基于雙目視差的3D顯示，存在輻輳調(diào)節(jié)沖突問題，導(dǎo)致觀看者產(chǎn)生眩暈等不適感，不利于長(zhǎng)時(shí)間觀看。

圖1. 輻輳調(diào)節(jié)沖突原因

圖1中給出人眼產(chǎn)生輻輳調(diào)節(jié)沖突的原因。L和R分別為近眼顯示中，微顯示器通過光學(xué)系統(tǒng)為人眼呈現(xiàn)的虛像平面，與觀看者距離為Zi,當(dāng)來自于L平面上A點(diǎn)的光和來自于R平面B點(diǎn)的光分別到達(dá)人的左眼和右眼時(shí)，在大腦的視覺合成中，人眼會(huì)感受到空間P點(diǎn)的存在，即通過雙目視差實(shí)現(xiàn)了3D顯示。然而顯示的二維圖像僅在Zi深度的平面是清晰的，人眼會(huì)自動(dòng)的聚焦于虛像平面，而觀看3D物體時(shí)人眼的雙目視軸會(huì)匯聚于P點(diǎn)，匯聚的深度Zp與圖像深度Zi的不一致是導(dǎo)致輻輳調(diào)節(jié)沖突的原因。

解決該問題的一個(gè)重要技術(shù)是:麥克斯韋圖，即通過擴(kuò)大虛擬成像平面的焦深范圍，使得人眼匯聚的3D像點(diǎn)與在該深度的虛擬圖像清晰度相當(dāng)，從而實(shí)現(xiàn)了匯聚與聚焦的統(tǒng)一。

通過限制進(jìn)入人眼的一個(gè)物點(diǎn)的光斑尺寸(物點(diǎn)的發(fā)光角范圍)可擴(kuò)大成像平面的焦深范圍，如圖2所示，我們用一個(gè)透鏡來代替人眼來進(jìn)行說明。圖2(a)中P點(diǎn)發(fā)出的光以一個(gè)大的張角（光斑）進(jìn)入人眼，成像于P’點(diǎn)，當(dāng)P’恰好在人的視網(wǎng)膜上時(shí)呈清晰的像，當(dāng)人眼的焦距調(diào)節(jié)后，擴(kuò)散斑的尺寸迅速變大，從而觀看模糊，對(duì)應(yīng)于顯示圖像焦深短的情況。而通過限制進(jìn)入人眼光斑的尺寸（如圖2（b）），在像點(diǎn)P’附近人眼焦距調(diào)節(jié)時(shí)，形成的光斑仍然較小，從而具有高的清晰度，即對(duì)應(yīng)顯示圖像焦深長(zhǎng)的情況。

圖2. 焦深控制的原理

實(shí)現(xiàn)大焦深范圍顯示的另一重要途徑為：激光掃描投影LBS。如圖3所示為L(zhǎng)BS光機(jī)結(jié)構(gòu)圖，三色LD發(fā)出的激光準(zhǔn)直后通過二向色鏡合束后，通過掃描振鏡掃描投影形成圖像，由于激光光線直徑很細(xì)，約1mm左右，從圖像源的角度直接限制了物點(diǎn)的發(fā)光角度或光斑尺寸，使得投影圖像在任意深度范圍內(nèi)均能夠清晰地顯示。

圖3. LBS光機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4. 反射式體全息光柵陣列波導(dǎo)

結(jié)合上述原理，瓏璟光電設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種反射式體全息光柵陣列波導(dǎo)AR顯示，通過對(duì)反射式體全息光柵波導(dǎo)中的耦出光柵進(jìn)行空間取樣，減小進(jìn)入人眼的圖像光斑的尺寸來擴(kuò)大顯示圖像的焦深范圍。圖4為拍攝的反射式體全息光柵陣列波導(dǎo)，可以看出若干離散的耦出光柵區(qū)域，即所述的體全息光柵陣列。

圖5. 不同聚焦深度，反射式體全息光柵波導(dǎo)與反射式體全息

光柵陣列波導(dǎo)拍攝的顯示效果對(duì)比

圖5為通過反射式體全息光柵波導(dǎo)與反射式體全息光柵陣列波導(dǎo)拍攝的顯示效果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的光機(jī)相同，從中可以看出，采用反射式體全息光柵陣列波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)0.4米至無窮遠(yuǎn)的清晰顯示，實(shí)現(xiàn)了大焦深的AR顯示效果。另外，將LBS與反射式體全息光柵陣列波導(dǎo)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更加緊湊的AR顯示效果并實(shí)現(xiàn)更高的顯示亮度。

在上述方案中，人眼通過不同體全息光柵陣列單元觀看圖像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的跳變，該問題可通過偏振復(fù)用或波長(zhǎng)復(fù)用，使用多層波導(dǎo)結(jié)合眼動(dòng)跟蹤來解決，結(jié)合雙目視差原理，采用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無輻輳調(diào)節(jié)沖突的體全息波導(dǎo)AR 3D顯示。

審核編輯 ：李倩