英伟达联合斯坦福大学开发全新VR眼镜设计外观与普通眼镜类似佩戴更舒适

提到VR眼镜，在你的脑海中想到的可能是一款厚重且体积比普通眼镜要大很多的仪器，这种眼镜的佩戴体验远远不如普通眼镜舒服。而最近，来自英伟达和斯坦福大学的研究人员发表的一项研究成果，将有望改变VR眼镜体积庞大的现状。

作为有着广泛前景的一项技术领域，虚拟和增强现实 (VR/AR) 技术将通过各种计算机图形应用程序等为用户带来许多前所未有的体验。而目前将VR技术推广的主要障碍之一，正是目前VR眼镜的庞大体积，这使得用户的穿戴体验并不舒适。

事实上，目前的VR显示器之所以都体积庞大，主要原因就在于VR显示光学器件的放大镜原理，具体来说就是小型微型显示器上的图像，必须要通过镜头放大才能转换为最合适用户观看的大小并提供较宽视野的虚拟图像；而这也就要求在显示器和镜头之间需要留出相对较大的距离。正是由于这一原因，才使得目前市面上的VR显示器都体积较大且佩戴不舒服。

而在英伟达和斯坦福大学合作的研究中，研究人员则开发出了一款十分轻薄的外观和普通眼镜类似的VR显示器，不仅将镜片与人眼之间的距离大大缩减，而且可以提供全彩色的3D全息图像显示。在研究中，团队还制作了VR眼镜样机，其重量只有60克。

这一研究的开发团队，由来自英伟达公司和斯坦福大学的金钟铉带领。近日，相关文章也以《用于虚拟现实的全息眼镜》为题发表在了英伟达公司的官网上。

在此之前，为了减小虚拟现实眼镜的厚重体积，许多其他研究提出了不同的解决方案。

例如，在2013年，英伟达的研究员设计了基于薄微透镜的镜片距人眼较近的近眼光场显示器。在2015年，英特尔实验室通过使用弯曲的微透镜，将这些系统的视场（FOV）扩宽，同一年还有其他科学家提出了用针孔阵列取代微透镜的设计。

不过，这些近眼光场显示器都存在着空间角分辨率折衷的问题，从而使可以呈现的分辨率和视图数量受到限制。

此后，2018年，Magic Leap公司的光学设计研究院设计出了饼状透镜，将光路折叠从而减少了镜片到人眼的距离，之后美国中佛罗里达大学光学与光子学院的奥赞·卡克马克奇博士等人提出的全息饼状透镜，则将光学镜片的厚度进一步缩小。

2021年，首尔国立大学电气与计算机工程学院博士邦齐升等人提出的Lenslet VR显示器，将受饼状透镜中采用的光路折叠原理与微透镜相结合，使得显示器的体积大幅减小。但是该系统的局限在于，只能提供2D图像的生成功能。

而该研究中的系统，则可以同时生成多个不同深度的3D图像。其开创之处在于，尽管这款VR眼镜采用的是全息近眼设计以及薄波导，却仍然能够以轻而薄的体积提供高分辨率的全彩色3D图像。

英伟达开发的这款全息眼镜设计由一个瞳孔复制波导、一个空间光调制器（SLM）和一个几何相位（GP）透镜组成。

其工作原理简单来说如下图所示：波长为λ的相干和准直光被耦合之后，进入并穿过厚度tw、折射率nw的波导。之后，光以θc的会聚焦被从波导中耦合出，然后在厚度tp的线性偏振器处经过偏振之后，在SLM处被调制。其中，SLM 的像素间距为p s、像素数为Nx×Ny、宽度和高度分别为ws和hs。

之后，被调制的光以θs的衍射角向用户眼镜的方向前进并再次遇到波导。在这里，部分光将被光栅以较低的衍射效率被耦合回波导，而其余的非耦合光则将通过厚度为tq 的四分之一波片（QWP），并在厚度为tL、焦距为fL的GP透镜处被折射，接着在距离GP镜 头de的距离的人眼处成像。最终，镜片距离视点的距离为de，而所提供的视场则为θv。

全息眼镜的工作原理简图

最终，视点与镜片的距de、视场θv系统参数的关系分别为以下。

从上述公式则可以看出，在全息眼镜设计中，优化某一参数也可以带来其他指数的改善。

例如下图所示，SLM越大，镜片距离人眼的距离de越短，可以覆盖更大的视场FOV就越大；像素间距（ps）越小，产生的衍射角和眼框（we)就越大。

不同参数之间的关系。左侧：视野（FOV,θv）与SLM 尺寸（ws）；中左：眼框（we) 与 SLM 像素间距（ps）；中右：眼距（de）与会聚角（θc）；右侧：高衍射级间隔（wh）与 SLM 像素间距（ps）之间的关系。

研究人员还制作了可穿戴样机，并用它进行了2D和3D全息图像的实验演示。所制作的可穿戴样机镜片厚度仅为2.5毫米，不包括SLM驱动板的样机重量只有60克。