面向视觉舒适度的全息近眼显示研究综述（封面文章）

常琛亮, 戴博, 夏军, 张大伟, 庄松林

上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室

[摘要]随着元宇宙概念的逐渐火爆，用于虚拟现实和增强现实（VR/AR）的可穿戴近眼显示设备也获得了巨大的关注。一款终极的VR/AR头戴式设备必须将显示器、传感器和处理器集成在一个紧凑的外壳中，人们可以长时间舒适地佩戴，同时提供良好的沉浸式体验和友好的人机交互体验。面向视觉舒适度的设计理念对于下一代VR/AR设备至关重要。在众多可以提供三维视觉效果的显示技术中，全息显示技术能够提供包含所有三维观看线索的真实自然的三维显示效果，同时由于其衍射成像的特点在人眼视觉像差矫正及保持紧凑外形尺寸等方面都具有独特的优势，成为了未来近眼显示设备的潜在理想技术方案。在这篇综述中，从视觉舒适度的角度调研和总结了全息近眼显示技术的最新进展。首先在视觉感知的背景下介绍了人眼视觉系统，随后对全息近眼显示在动眼眶、视场角、散斑噪声、三维波前计算和全彩色显示等有关视觉舒适度的研究方向进行了全面综述，最后总结和讨论了全息近眼显示技术在未来的潜在应用场景。

超表面VR/AR显示技术研究进展（封底文章）

罗栩豪, 董思禹, 王占山, 程鑫彬

同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所

[摘要]虚拟现实（VR）和增强现实（AR）是继计算机、智能手机和互联网之后出现的下一代革新技术，正在改变我们感知和沟通世界的方式。近年来，VR/AR头戴显示器蓬勃发展，对高分辨、高亮度的微型显示设备和小体积、轻质量的近眼显示光学系统的需求也越来越迫切。超表面作为一种在二维平面上排布亚波长纳米结构的新型超薄光学元器件，具有超越传统光学器件的强大电磁波调控能力，正在推进VR和AR设备向着小型化、轻量化方向发展。首先简要介绍VR/AR显示技术的基本原理并回顾发展历程；重点分析超表面和超透镜在VR/AR近眼显示光学系统中的设计原理、性能特点及应用方法，以及超表面在微型显示设备中的作用和应用效果；随后介绍超表面微纳加工技术和大面积批量制备方法；最后对超表面VR/AR显示技术进行总结，并对其发展前景进行展望。

基于微纳光学元件的增强现实技术

廖启明, 杨静育, 王涌天, 黄玲玲

北京理工大学光电学院

[摘要]增强现实显示器件作为一种可穿戴式的智能设备，通过将虚拟信息叠加在真实视野上，两种信息相互补充叠加，显著增强对真实世界的体验，对器件体积和质量的要求非常严格。微纳光学元件是指厚度及特征尺寸在纳米或微米量级的光学元件，在拥有强大的光场调控能力的前提下为缩减系统的尺寸和体积提供了新的途径。首先回顾几类典型微纳光学元件的原理和调控方式，随后讨论微纳光学元件在增强现实器件的技术路径和应用，并展望未来的发展。

虚实融合裸眼3D显示现状与展望

刘锴, 华鉴瑜, 陈林森, 乔文

苏州大学光电科学与工程学院

[摘要]增强现实（AR）显示是新型显示技术的一个重要发展方向，也是“元宇宙”的硬件入口之一。裸眼AR-3D显示在车载、教育、医疗等领域具有广泛的应用需求，因此受到学者和产业专家的密切关注。回顾了裸眼AR-3D显示技术，主要包括基于几何光学元件、全息光学元件、像素化衍射光学元件等AR-3D显示技术的发展现状，阐述了不同技术的基本原理，分析了现有技术存在的挑战，并对其未来的发展进行了展望。裸眼AR-3D显示将逐步改变人们的信息获取方式。

超表面在增强现实近眼显示中的应用研究进展

李洋洋, 张超, 杨宁, 袁影, 郭金坤, 王晓蕊

西安电子科技大学光电工程学院

[摘要]增强现实近眼显示器是信息显示技术领域的研究热点之一。针对传统近眼显示系统结构存在的视场与体积不能兼顾的瓶颈技术问题，超表面光学元件凭借其光场多维物理量的调控能力和平面集成化优势，为开发大视场轻薄紧凑化的近眼显示器提供了新思路。首先介绍了超表面光场调控原理，重点分析了基于超表面的多种增强现实近眼显示光学系统设计方案，主要包括基于超表面和自由曲面的光学系统设计方案、基于超表面的视网膜投影显示设计方案、基于超表面的光波导设计方案及全息显示设计方案等，讨论了超表面在增强现实近眼显示领域面临的挑战，并对其未来的前景进行了展望。

硅基微显示芯片综述

陈弈星, 夏军

东南大学信息显示与可视化国际合作联合实验室

[摘要]增强现实技术是元宇宙重要的人机交互平台，其中光学成像部件和微显示屏是成像质量的关键。目前有5种微显示器件：硅基液晶、硅基OLED、硅基micro LED、digital light processing（DLP）、激光扫描振镜。将着重介绍不同微显示屏的组成结构、工艺流程、硅基驱动方式、发展现状及面临的挑战。在硅基驱动部分，将从像素驱动的不同电路和不同驱动电路的优缺点入手，分析不同显示技术在硅基部分的设计和指标挑战。对目前不同技术所能达到的指标进行汇总比较。讨论硅基背板的设计关注点和发展趋势。最后，对不同微显示芯片的应用场景和发展进行讨论。

硅基微显示器发展现状与研究进展

季渊, 许怡晴, 陈宝良, 张引, 穆廷洲

上海大学微电子研究与开发中心

[摘要]硅基微显示器以单晶硅为衬底，背板中集成CMOS驱动电路，具有体积小、像素密度高、开关速度快、功耗低等特性，在近眼显示、投影、增强现实/虚拟现实（AR/VR）等领域具有广泛应用。综述数字微镜器件（DMD）、硅基液晶（LCoS）、硅基有机发光（OLED on silicon）、硅基二极管发光（硅基micro-LED）4种硅基微显示器，重点论述硅基OLED和硅基micro-LED的关键技术和研究进展。这些硅基微显示器具有主动发光、高分辨率、高刷新率、高对比度、低功耗等突出特点，在近眼显示领域拥有巨大的应用潜力。

衍射光波导增强现实近眼显示的关键参数

赵宇暄, 孟祥峰, 冒新宇, 石磊, 曾理江

北京至格科技有限公司

[摘要]衍射光波导是目前主流的实现增强现实近眼显示的技术方案，具有眼动范围大、体积小、量产性好等优点。但衍射光波导的一些关键参数的评价指标尚缺乏统一的定义。详细介绍了衍射光波导方案的关键参数和测量方法，通过明确这些关键参数来考察衍射光波导的优势和劣势，从而充分挖掘衍射光波导的技术潜力，实现更好的产品性能。

纯相位编码的无透镜全息视网膜投影近眼显示

屠科锋, 庞煜剑, 陈涛, 张旭, 梁力, 王梓, 吕国强, 冯奇斌

合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室

[摘要]基于波前调控的全息视网膜投影显示（RPD）能够在无透镜条件下对图像光束进行会聚且可以实现图像景深、视点位置、数量、间距等参数的自由调控。目前，无透镜波前调控全息RPD多数选用振幅型全息图进行研究，存在衍射效率低、共轭像串扰等问题。基于此，提出了一种无透镜全息RPD的纯相位全息图计算方法，通过两步计算即可得到所需全息图。首先，将目标图像乘以均匀相位后作为输入，在输入面和全息面之间进行基于角谱衍射的Gerchberg-Saxton迭代后在全息面获得相位分布。然后，在迭代后的相位分布上乘以会聚球面波相位并对其编码得到最终全息图。在实验中，通过时分复用技术实现了彩色RPD并利用多球面波相位实现出瞳拓展，验证了该方法的有效性。

基于多光谱融合的端到端计算成像

南亦澜, 申俊飞, 张启灿

四川大学电子信息学院

[摘要]传统提升低照度成像质量的方法主要包括外界补光和光圈提升，通过增大物理进光量完成源信息增强，但此类方法会造成光源污染和景深缩短等问题。提出一种端到端的多光谱融合方案，在弥补传统方法缺陷的同时有效恢复低照度场景中物体颜色和细节，实现高质量计算成像。通过定制化设计深度学习网络，融合多通道光谱信息，可有效消除场景噪声。所提方法具有较高的自由度，可以根据具体应用场景需求调节通道数和网络参数，同时也能替代传统的相机模块，优化图像信号处理流程。进行详细的消融实验，结果表明，光谱融合后，相比传统基于RGB数据的方法，所提方法得到的图像质量的均方误差（MSE）和感知损失分别降低了54.43%和35.12%。所提方法将为增强现实/虚拟现实（AR/VR）、医疗成像、自动驾驶等新兴技术领域带来新的高质量成像方案。

激光扫描增强现实系统中抑制带斑的波导研究

厉冰川, 张杰, 向诗文, 王畅

嘉兴中润光学科技股份有限公司

[摘要]为了抑制激光扫描显示的画面在经过二维出瞳扩展后出现的带状亮斑，改善显示效果，分析并讨论了画面中带斑产生的原因，研究了与带斑对比度相关的光学系统参数。接着提出一种使用双层平板光波导叠加进行出瞳扩展以抑制带斑对比度的方法。仿真结果表明：相对厚度为0.6 mm的单层波导系统，当两层平板波导厚度分别为0.64 mm和0.6 mm时，系统显示纯色时的带斑对比度将下降至23.2%。这种方式在不显著增加系统体积且具有较好工艺可实施性的前提下实现了对带斑现象的抑制，改善了系统成像质量，为激光扫描光机在增强显示系统中的应用提供了一种可行方案。

基于柱面全息波导的增强现实近眼显示系统

梅宇, 彭飞, 孙明, 郑华东, 于瀛洁, 夏新星

上海大学机电工程与自动化学院

[摘要]基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。

大尺寸全息3D显示系统

李移隆, 王迪, 李楠楠, 黄倩, 王琼华

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院

[摘要]全息显示技术被认为是最有前景的显示技术之一。然而，目前的空间光调制器（SLM）尺寸很小，不能满足大尺寸全息显示的要求。提出了一种大尺寸全息3D显示系统，该系统由1个激光器、1个扩束器、3个透镜、1个分束器、2个SLM及1个孔径光阑构成。首先使用误差扩散方法生成大尺寸的全息图；然后将大尺寸全息图分割为2幅具有相同分辨率的全息图，并将它们分别加载到2个SLM上；最后在空间上将2个SLM的衍射光场无缝拼接在一起，实现大尺寸全息3D显示。实验结果验证了该系统的有效性。

面向手术导航的增强现实计算光谱成像系统

陶陈凝, 郑臻荣

浙江师范大学杭州高等研究院

[摘要]基于光谱成像技术的手术导航通过分析不同组织的光谱差异，能够有效识别各类组织，具有重要的应用价值，但目前光谱成像的采样速度和光谱图像的呈现方式极大地限制了其在临床中的应用。提出面向手术导航的增强现实计算光谱成像系统，通过使用RGB成像器件和多光谱单像素探测器，实现单次成像下的高质量光谱重构，极大地提升了成像速度和重构效率；采用主成分分析和光谱角制图提取光谱图像的有效信息，突出特征组织区域；展示了头戴式增强现实显示设备中光谱图像与实际手术区域融合后实现的图像增强效果。

视角扩展的头戴式超多视图三维显示

叶秋, 刘立林, 赖诚亮, 黄海坤, 谢炎斌, 滕东东

中山大学电子与信息工程学院光电材料与技术国家重点实验室

[摘要]近眼小孔因对入射瞳孔光束光斑尺寸的有效约束而被用于基于时序复用的超多视图显示，可以实现较大的景深，但小的尺寸也导致一个近眼小孔所能实现视角的严重受限。设计多组近眼小孔时序选通，通过同组不同近眼小孔各自对应显示区域的拼连，可以有效解决各时间点仅通过一个近眼小孔观察时所面临的视角受限问题；但各近眼小孔对应显示区域出射光通过非对应小孔出射，又引入串扰噪声这一新问题。针对头戴式显示，设计同组相邻近眼小孔具有相异正交特性的多组近眼小孔，利用各显示区域所出射正交特性光被其对应小孔的相邻小孔屏蔽的特性，解决同组相邻小孔间的串扰问题。搭建验证性头戴式超多视图显示系统，在由M个一维条状小孔构建的一个近眼小孔组中，设计相邻2个近眼小孔，分别仅允许偏振方向相互垂直的光通过；基于视觉滞留效应，利用T个近眼小孔组的时序选通，实现单眼T个视点的超多视图显示。相对于一个时间点仅一个近眼小孔选通的情况，近眼小孔组使视角得到M倍的扩展。受制于所使用的常规投影透镜，仅取M=3进行验证时，视角扩展为19.7°。

基于消色差超构光栅的AR显示光波导

何书宸, 魏志伟, 葛睿, 陈玉萍

区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

[摘要]增强现实（AR）技术将计算机生成的虚拟信息融入现实世界，可为使用者提供沉浸式的体验，被认为是下一代显示技术，但依旧存在一些问题。针对AR显示系统中色差、色彩均匀性、光场均匀性等问题，设计一种基于消色差超构光栅的光波导解决方案。仿真超构光栅的耦出响应，在单层超构光栅的情况下，实现了三种波长光（473，532，620 nm）相同角度入射和相同角度出射，消除了色差。采用双层超构光栅，在实现消色差的基础上，进一步实现了对不同波长光的强度比例可调和耦出效率可调，改善了色彩均匀度，有望用于扩瞳。所提基于消色差超构光栅的AR显示光波导设计有望为头戴式AR显示设备提供全新设计思路。

基于景深的增强现实光学系统虚像视距测量方法

田方旭, 张军

暨南大学理工学院广州市可见光通信重点实验室

[摘要]针对AR光学系统中虚像视距（VID）测量方法基于主观判断、易受摄影系统的景深干扰等问题，从VID的测量原理出发，提出了利用景深特性使AR虚像视距与参考实物物距保持一致的方法，通过构建实验系统和分析算法，采用基于边缘的空间频率响应检测同一摄影系统在拍摄虚像和参考实物过程中图像清晰度的相对变化，将VID转换为摄影系统在相应对焦位置时的远景距离，实现对AR光学系统VID的定量测量。实验结果表明：设计的VID测量系统的测量结果（1397 mm）与所测的AR波导镜片样品的理论设计值（1400 mm）相符，说明了该测量系统的有效性；测量误差为10~40 mm，即将理论误差降低到传统测量方法的1.6%~6.45%，显著提高了VID的测量精度。该方法仅基于常用实验器件即可实现AR光学系统VID的测量，有利于将VID检测系统更便捷地投入到AR设备的生产和研发环境中，助力AR设备设计和生产工艺的进步。

增强现实显示的偏振不敏感光栅波导研究

申苜弘, 杨磊, 黄战华, 潘成, 伍圆军

天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室

[摘要]一般的光栅波导式头戴显示器因偏振敏感不能同时使用横电（TE）偏振光和横磁（TM）偏振光进行成像显示。为解决该问题，基于遗传算法与严格耦合波分析法提出了一种偏振不敏感光栅的设计方法。制作了偏振不敏感的光栅波导，进行了光栅波导的衍射效率测量实验。该光栅工作波长为532 nm。耦入光栅对TE偏振光的平均衍射效率从6.1%提高到了21.0%，对TM偏振光的平均衍射效率从13.7%提高到了40.5%，对非偏振光的平均衍射效率从9.9%提高到了30.7%。耦出光栅对TE偏振光的平均衍射效率从3.1%提高到了12.1%，对TM偏振光的平均衍射效率从0.8%提高到了10.7%，对非偏振光的平均衍射效率从1.9%提高到了11.4%。搭建了显示系统样机，测试表明显示效果清晰明亮。实现了30°×22°的大视场角，验证了偏振不敏感光栅波导设计方法和非偏振图像源在增强现实领域的可用性，为波导型增强现实系统的研究与发展提供一定的指导作用。

增强现实光学系统虚像视场角测量方法

田方旭, 张军

暨南大学理工学院广州市可见光通信重点实验室

[摘要]由于增强现实（AR）光学系统虚像视场角（VFOV）测量中存在测量方法、虚像边缘判断标准不明确的问题，开展了针对AR光学系统VFOV测量方法的研究。设计了基于摄影系统采集图像计算VFOV的方法，采集了不同虚像视距（VID）时AR镜片样品所显示的最大虚拟图像，然后分析了6类像素亮度统计参数以不同倍率作为视场边缘像素的亮度阈值、不同VID对VFOV测量结果的影响。结果表明：6类统计参数所得VFOV测量结果存在11°（V）×7°（H）的差别；同一亮度阈值不同VID下VFOV最大波动范围为±2.630°（V）×±1.685°（H），最小波动为±0.228°（V）×±0.360°（H）。因此判定边缘像素的亮度阈值与VFOV结果高度相关，VID对VFOV测量的影响远小于亮度阈值的影响。推荐采用像素亮度算术平均值的64%作为阈值，该方案所得的VFOV结果最稳定，相对波动仅为0.91%，所设计的测量方案为测量AR光学系统的VFOV提供了普适的测量方法和流程，具有一定指导意义。