韩国研究员开发基于HOE的MR头显色域技术

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(XR Navigation Network 2024年06月07日）为了提高MR应用的沉浸感，需要具备扩展色域的显示器。波导显示技术是一种典型的MR解决方案，通过全息光学元件（HOE）实现。然而，由于HOE的固有特性，其在MR系统色域方面存在一定的限制。

为了克服这一限制，韩国中央大学的研究人员提出了一种通过空间调制衍射光栅来扩展基于HOE的MR头显色域的方法。他们使用亚像素化的HOE进行空间调制，使得红、绿、蓝光能够沿着同一方向衍射。所提出的结构考虑了HOE的特性和用户的波长灵敏度，优化了色域，实现了扩展的色域。通过理论和实验分析，他们证实了该方法在扩展基于HOE的波导显示器色域方面的有效性和实用性。

随着Apple VisionPro等产品的发布，支持MR功能的头显设备正受到市场关注。

光学透视显示器需要透明的图像组合器来有效地合并真实世界和虚拟图像。图像组合器分为两种类型：采用分束器等大型光学元件的Birdbath型；基于衍射光栅等微米或纳米光学元件的Waveguide波导型。

波导型图像组合器比Birdbath型图像组合器具有更紧凑、更轻的设计，提高了用户的舒适度，并降低了头显的整体重量，所以受到行业的重点关注。

波导型显示器由利用衍射的光学元件组成。衍射光学元件通常包括光栅或全息结构。它们用作波导显示器的耦入器或耦合器。这使得来自投影仪的虚拟内容能够通过波导传递到人眼。衍射光学元件可分为表面型光栅、体积型光栅和偏振体积型光栅，它们具有波长选择性，仅衍射设计波段的光，并透射其他波段的光。

表面型光栅（SRG）通过电子束图案化、刻蚀和纳米压印等技术制造。然而，SRG面临着易受色散效应和颜色不均匀分布的挑战。

体积型光栅（VHG）是一种由折射率周期性变化形成的三维结构。VHG的代表性方法是使用基于光聚合物的全息光学元件（HOE）。VHG中的重影效应是传输型HOE固有的缺陷，主要由杂散光引起。

偏振体积型光栅（PVG）是一种根据光的偏振状态选择性地衍射光的光栅类型。PVG具有接近100%高衍射效率的基于液晶的光栅。

SRG和VHG使用光栅的空间周期和倾斜角度来决定光衍射的角度。然而，由于衍射的波长依赖性，这些方法在全色显示器中存在限制。因此，采用SRG或VHG的波导显示器中固有的波长选择性限制了显示设备或系统可以表现的颜色范围的色域。

为了克服这些挑战，SRG使用复合微结构来校正色差。然而，由于环境光的衍射，重影图像问题是不可避免的。

在该研究中，韩国中央大学的研究人员介绍了一种利用空间调制衍射光栅（SMDG HOE）来增强色域的创新方法。他们将每个像素细分为多个子像素，通过掩膜记录特定波长的光。经过微调后，可以在不同区域获得亚像素记录。通过Zemax仿真和实验，他们阐明了SMDG HOE的基本原理和实验结果，表明该方法在波导显示器色域扩展中的有效性。

结果

借助实验装置，研究人员评估了三种SMDG HOE类型的波长比效率和波导效率。测量结果表明，TCB-HOE和TSB-HOE可以实现更均匀和广泛的色域，而传统的三分体HOE在色域方面表现较差。通过实验装置展示了这种基于HOE的波导显示器在MR系统中的适用性和优势。

讨论

通过空间调制衍射光栅扩展波导显示器的色域是一种有效的方法。与传统方法相比，SMDG HOE具有更高的精确控制能力和更好的再现性。然而，该方法仍然存在一些局限性，例如固有损耗和制造过程的复杂性。基于半导体处理技术的进一步研究可能有助于克服这些限制。