为什么如今的增强现实显示技术存在不足，而一项75年前的理念或许能有所帮助

Meta Ray-Ban AI 智能眼镜的巨大成功，以及来自 Rokid、雷鸟、小米和许多其他厂商的新款 AI 智能眼镜，已经证明了市场对这些设备的需求。消费者购买这些设备是因为与以往的智能眼镜尝试不同，这一代产品兼具时尚感与轻便性，并以非常便捷的方式增强了日常生活。你可以通过音频接口听音乐、拍照并获取导航指引。

使这些设备变得更加有用（并可能成为下一个主要移动计算平台）的下一步将是加入增强现实（AR）显示器。然而，这些 AR + AI 智能眼镜的大众市场普及将受到当前显示技术（如 DLP、LCoS 和 MicroLED）能力的严重限制。

这些显示器除了耗电量大、体积臃肿、制造困难且价格昂贵外，其表现绝对不符合人类视觉系统的预期。如果目标是整天佩戴 AR + AI 智能眼镜，就必须解决这些人因工程问题。

AR + AI 智能眼镜的人因挑战

DLP、LCoS 和 MicroLED 显示器都使用基于波导的系统。波导是薄而透明的透镜，利用全内反射将微小显示器发出的光线引导至佩戴者的眼睛，将数字图像与现实世界视图相结合。这些波导系统通过每只眼睛一个显示器来创建立体图像，但它们需要一个固定的焦平面通常深约一米。这限制了显示图像与单一深度的自然对齐，从而限制了需要在不同深度精确放置图像的应用场景。例如，如图 1 所示，许多 AR 应用（如导航）将需要在不同时间为用户提示提供多个平面。

当显示系统仅呈现单一固定深度的视觉效果时，所产生的体验往往感觉不自然且不舒服。这主要是由于已有详尽研究的辐辏调节冲突（VAC）问题引起的。当观察者预期在特定的现实世界距离感知图像（图 2 左侧），但实际上眼睛必须聚焦在呈现该图像的其他位置的显示器上时（图 2 右侧），就会发生这种冲突。

VAC 不仅与恶心等不适感相关，还对旨在全天长时间使用的设备构成了重大挑战。研究表明，要实现用户的视觉舒适度，至少需要三个焦平面；且焦平面越多越好。遗憾的是，对于基于波导的 AR 显示器，目前尚无切实可行的解决方案来解决这一问题。

处方镜片是另一个挑战。全球有近 40 亿人佩戴眼镜，据估计，全球约 75% 的成年人需要某种类型的视力矫正。AR 显示器必须顾及这些用户，在基于波导的系统中，通常通过添加定制的矫正光学元件来实现。这增加了成本、重量和供应链的复杂性，同时也给终端用户带来了严重的不便。

解决这些核心人因需求的方案是全息技术。全息技术由丹尼斯·加博尔（Denis Gabor）于 1947 年发明，同年晶体管也问世了。全息技术采用了与使用波导的传统显示器根本不同的方法，因为它重建的是光波前，而不是投影平面图像。因为它重现了与真实物体发出的完全相同的光线，眼睛能够感知到自然的深度线索并正确聚焦，从源头上解决了辐辏调节冲突。

然而，尽管自 75 年多前发明以来，我们在众多科幻电影中都看到了全息技术，但动态全息显示一直难以实现。

为什么动态全息如此困难？主要原因之一是显示像素尺寸。视场角（即衍射角）与像素尺寸之间存在非常显著的非线性关系。下表（图 3）显示了一旦像素尺寸小于光波长，视场角是如何迅速增加的。这是有迹可循的，因为像素起到光束转向的作用，它需要比其操纵的光波长更小。现有显示技术（DLP、LCoS 和 MicroLED）的最先进像素尺寸为 2 微米，大了一个数量级。这使得动态全息变得不切实际。

半导体基全息调制器的最新进展使紧凑型设备的动态全息成为可能。通过使用相变材料作为像素，像素尺寸可以首次做到比光波长还小。相变材料通过快速加热从一个相态（晶态）转变为非晶态。这反过来改变了材料的光学特性，例如折射率。相变材料已广泛用作可擦写 DVD 中的存储材料或嵌入式非易失性半导体存储器。

因此，这些相变纳米像素可以在标准 CMOS 代工厂工艺中制造，使动态全息显示具有极低的成本和可扩展性。这是一种利用 CMOS 半导体经济效益的光子学方法。

全息显示利用计算衍射成像，通过摩尔定律赋予的计算能力来抵消光学复杂性。全息技术允许真实的 3D 图像放置和动态深度控制，在无需额外光学元件的情况下解决了辐辏调节冲突和处方矫正问题。

数以亿计甚至十亿计的相变纳米级像素现在可以集成在一个微小的 CMOS 芯片中。这些动态全息显示器可以提供人类视觉系统所期望的真实 3D 图像，并具有高光学效率、轻薄的外形和更低的功耗——所有这些对于 AI + AR 智能眼镜的大众市场普及都至关重要。

原文：Why Today’s AR Displays Need Holographic Modulators - EE Times