Sci. Adv.|面向AR/VR应用的全息显示器

虚拟现实和增强现实（VR/AR）技术在游戏产品中变得越来越流行。但目前的显示技术仅限于两个维度，即向每只眼睛投射一个2D图像。三维全息显示器面临着价格昂贵，成像带有斑点的问题。近日，美国的研究人员将人工智能与部分相干光源相结合，生成了锐利、明亮且无斑点的全息图像。该工作证明了其一种更实用的全息技术，包括用于耳机以及汽车的平视显示器。该工作目前已发表于Sci. Adv.（doi: 10.1126/sciadv.abg5040）.

斯坦福大学的研究人员开发了一个由人工神经网络控制的全息显示器，并利用它分辨来自相干、部分相干和非相干光源的图像。

目前，几乎所有的全息显示器都依赖于激光的相干光作为光源。但是，这些显示器价格昂贵，且成像还受到斑点的影响。这是由于具有相同频率但不同振幅和相位的光波干涉而产生了强度分布。这种干涉信号损害了图像质量，并有可能伤害人的眼睛。

解决这个问题的一种方法是通过使用时间或空间复用来叠加不同的斑点模式。但这种方法通常依赖于机械运动部件和复杂的光学器件，因此其不适合于AR/VR头盔等可穿戴计算系统。美国斯坦福大学的Gordon Wetzstein等人利用了部分相干光作为光源，并开发了一个新的数学模型描述了来其传播。部分相干光的特点为其同时具有空间上的不连贯（有限的发射区域），以及时间上的不连贯（宽的发射光谱）。

在实验中，研究人员将不同光源输送到空间光调制器，并使用相机记录每一种情况下在调制器远端形成的全息图像。通过多次重复这一过程，他们使用神经网络将图像与理想的目标图像进行比较，从而通过调整空间光调制器，逐步缩小两幅图像之间的差异。研究人员使用了三种不同类型的光源来生成各种二维图像。实验结果表明，激光光源能够产生最清晰的图像，但也产生了很多斑点。相比之下，发光二极管行程的图像分辨率较差，但斑点非常少。

他们还尝试了超级发光二极管，即能够产生像激光一样产生准直的光线，但同时具有宽光谱的光源。实验结果表明，超级发光二极管结合了其他两种光源的优势，既能够显示清晰的图像，又具有较少的斑点。

另外，研究人员还提出了一种生成三维全息图像的方法。他们使用两台摄像机对位于近处和远处的物体进行聚焦，同时捕捉两个焦平面，并利用两个图像的缺陷来调整一个空间光调制器。同样地，超级发光的二极管可以产生清晰而斑点又小的聚焦图像。

在本研究中，波的传播模型由一个人工神经网络来表示。照相机对其进行初期训练，然后后期神经网络被用来调整空间光调制器。本研究中的微型化设备可直接用于制造虚拟现实头盔。研究人员指出，无需眼镜的显示器还需要进一步研究。这是因为其需要更大尺寸的显示面板，而且全息显示器的像素尺寸需要与光的波长相同，因此目前面临成本高且制作困难的问题。