全息显示改进有望增强虚拟和增强现实

时间：2022-01-09 17:52:07 来源：

与其他所有常规方法（如NaïveSGD）相比，迈克尔逊全息术显示出图像质量，对比度和斑点减少方面的显着改善。

软件和硬件方面的进步可以使全息照相技术适用于更多应用。

研究人员已经开发出一种新方法，可以改善全息显示器的图像质量和对比度。这项新技术可以帮助改善用于虚拟现实和增强现实应用的近眼显示器。

技术公司NVIDIA和斯坦福大学的研究团队成员Jonghyun Kim说：“增强和虚拟现实系统有望通过在用户和数字世界之间提供无缝接口来对我们的社会产生变革性的影响。”“全息显示器可以通过改善用户体验并支持更紧凑的设备来克服这些系统所面临的一些最大的挑战。”

在光学协会（OSA）进行高影响力研究的期刊 Optica中，研究人员描述了他们的新型全息显示技术，即迈克尔逊全息术。该方法将受迈克尔逊干涉法启发的新光学设置与最新软件开发相结合。该设置会生成制作数字全息图所需的干涉图样。

来自两个SLM的未衍射光自然会产生条纹图案。相机在环算法会迭代优化两个相位模式，以创建目标图像。

“虽然我们最近在机器学习驱动的计算机生成的全息照相技术方面取得了巨大进步，但这些算法从根本上受到底层硬件的限制，” Kim说。“我们共同设计了一种新的硬件配置和一种新的算法，以克服其中的某些局限性并展示出最新的技术成果。”

提高质量全息显示器通过实现更紧凑的显示器，提高用户将眼睛聚焦在不同距离上的能力以及为佩戴矫正镜的用户进行调节的能力，有可能胜过用于虚拟现实和增强现实的其他3D显示技术。但是，该技术尚未达到传统技术的图像质量。

对于全息显示器，图像质量受到称为仅相位空间光调制器（SLM）的光学组件的限制。SLM会产生衍射光，从而形成形成可见3D图像所需的干涉图案。但是，通常用于全息术的仅相位SLM表现出较低的衍射效率，这会大大降低观察到的图像质量，尤其是图像对比度。

研究人员使用了相机在环优化过程来改善全息图像。上面的图像显示了通过优化过程获取的近，远平面聚焦图像，而下面的图像则显示了用于创建全息图的两个相位图像。

由于很难显着提高SLM的衍射效率，因此研究人员设计了一种全新的光学体系结构来创建全息图像。他们的迈克尔逊全息照相方法不像大多数设置那样使用仅单个阶段的SLM，而是使用两个仅阶段的SLM。

“迈克尔逊全息术的核心思想是使用另一种SLM的未衍射光破坏性地干涉另一种SLM的衍射光。”“这允许未衍射的光有助于形成图像，而不是产生斑点和其他伪像。”

优化图像研究人员将这种新的硬件配置与他们为光学设置修改的相机在环（CITL）优化程序结合在一起。CITL优化是一种计算方法，可用于直接优化全息图或训练基于神经网络的计算机模型。

CITL允许研究人员使用相机捕获一系列显示的图像。这意味着他们可以在不使用任何精密测量设备的情况下纠正光学系统的微小偏差。

“一旦对计算机模型进行了训练，就可以精确地捕获所捕获图像的外观，而无需进行物理捕获，” Kim说。“这意味着可以在云中模拟整个光学设置，以通过并行计算实时推断出计算量很大的问题。例如，这对于计算复杂的3D场景的计算机生成的全息图可能很有用。”

研究人员在实验室中使用台式光学装置测试了他们新的迈克尔逊全息照相体系结构。他们使用它来显示几张2D和3D全息图像，这些图像是用传统相机记录的。演示表明，具有CITL校准功能的双SLM全息显示器比现有的计算机生成的全息图方法可提供更好的图像质量。

要使新系统切实可行，就需要将台式机安装转换成足够小以集成到可穿戴增强或虚拟现实系统中的系统。研究人员指出，他们共同设计硬件和软件的方法可能对总体上改善计算显示和计算成像的其他应用很有用。

参考：“米歇尔森全息术：2021年1月28日在Optica的Suyeon Choi，Konghyun Kim，Pengan Fan和Gordon Wetzstein提出的“具有相机在环优化的双SLM全息技术”。
10.1364 / OPTICA.410622

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