虛擬現實(virtual reality,VR)和增強現實(augmented reality,AR)中的近眼顯示要求具有高圖像質量，在緊湊的設備外形中支持大視野、聚焦提示(focus cues)以及大小合適的眼盒。全息近眼顯示有希望滿足這些要求，並在過去的數年裏取得了顯著的進展。 全息近眼顯示不同於(yu) 傳(chuan) 統的近眼顯示，它使用相位型空間光調製器(spatial light modulator,SLM)對入射光波整形，目標圖像通過幹涉的方式形成。
博覽：2021 Optica 基於(yu) 邁克爾遜全息的全息近眼顯示圖像質量優(you) 化
技術背景：
虛擬現實(virtual reality,VR)和增強現實(augmented reality,AR)中的近眼顯示要求具有高圖像質量，在緊湊的設備外形中支持大視野、聚焦提示(focus cues)以及大小合適的眼盒。全息近眼顯示有希望滿足這些要求，並在過去的數年裏取得了顯著的進展。 全息近眼顯示不同於(yu) 傳(chuan) 統的近眼顯示，它使用相位型空間光調製器(spatial light modulator,SLM)對入射光波整形，目標圖像通過幹涉的方式形成。
用於(yu) 全息顯示的相位型SLM存在衍射效率低的問題。這是由於(yu) 其有限的像素填充因子、背板架構和其它因素，使得多達20%的入射光可能不會(hui) 被衍射，從(cong) 而產(chan) 生零級衍射級，這通常會(hui) 幹擾控製的衍射級並顯著降低觀察到的圖像質量。導致目前計算生成全息的圖像質量還不如傳(chuan) 統的顯示技術。
在光學中，同軸和離軸濾波方案是兩(liang) 種最常用的技術，可最大限度地減少零級衍射。同軸濾波在物理上阻擋了傅立葉平麵上的未衍射光束，這不可避免地也阻擋了一些低頻成分的衍射光。此外，當複用三種顏色時，這種遮擋操作會(hui) 更具挑戰性。離軸方法會(hui) 導致視場減小(使用第一級衍射級的一半)或效率降低(使用更高的衍射級)，而這兩(liang) 個(ge) 因素對於(yu) 近眼顯示來說都是至關(guan) 重要的。此外，還有通過對校正光束或SLM的像素化結構進行建模的方法來補償(chang) 零級光束。最近提出的相機在環 (camera-in-the-loop,CITL) 全息技術可以使用其衍射分量部分補償(chang) SLM的未衍射光，而無需對所有這些項進行明確建模。
當前不足：
目前的純軟件方法都沒有考慮實際SLM的物理限製，限製了可以利用相消幹涉抵消零級衍射的程度。
文章創新點：
基於(yu) 此，NVDIA和斯坦福大學的Suyeon Choi(第一作者),Jonghyun Kim(通訊作者)和Gordon Wetzstein等人提出了使用兩(liang) 個(ge) SLM的Michelson全息，並結合CITL優(you) 化方法，使得一個(ge) SLM的衍射光可以與(yu) 另一個(ge) SLM的非衍射光形成相消幹涉，因此，非衍射光可以用於(yu) 目標圖像形成而不是產(chan) 生散斑或者其它的偽(wei) 影，從(cong) 而大大提升圖像質量。
原理解析：
(1)目標圖像形成。如圖1所示，由激光生成的源場入射到兩(liang) 個(ge) 空間光調製器(SLM)上，每一個(ge) SLM以一定的衍射效率對入射光產(chan) 生不同的相位延遲(即每個(ge) SLM顯示不同的pattern)。兩(liang) 個(ge) SLM反射的場均包含衍射光和非衍射光，並在目標平麵疊加形成目標圖像。
(2)CITL校正。目標圖像的形成不是一蹴而就的，需要通過迭代的方式不斷比較目標平麵的圖像與(yu) 目標圖像的誤差來更新兩(liang) 個(ge) SLM上的相位模式，最終得到針對特定目標圖像SLM所需要顯示的相位模式。而在這裏，通過增加一個(ge) 相機來捕捉這種迭代計算生成全息算法的中間圖像，並將實際捕捉到的圖像代入迭代優(you) 化過程(不同於(yu) 用計算值代入下一次迭代，這裏使用實測值代入，實測值包含了衍射項和非衍射項的貢獻)，從(cong) 而自動優(you) 化兩(liang) 個(ge) SLM的最終相位模式。具體(ti) 算法流程見附錄。
視頻1：（1SLM CITL是作者實驗室先前的工作，隻用了一個(ge) SLM）
視頻2：
附錄：
目標平麵SLM1和SLM2產(chan) 生光場
，
，
η是衍射效率。ф是SLM對入射光的相位延遲。
是SLM上的入射場。
要解決(jue) 的問題：
算法1：
算法2：
實驗裝置圖
參考文獻：Suyeon Choi, Jonghyun Kim, Yifan Peng, and Gordon Wetzstein, "Optimizing image quality for holographic near-eye dISPlays with Michelson Holography," Optica 8, 143-146 (2021)
DOI：https://doi.org/10.1364/OPTICA.410622
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