基于自由曲面全息光学元件的增强现实头戴系统设计方法及其衍射效率优化研究

针对自由曲面全息光学元件(HOEs)记录过程中波前校正元件成本高、灵活性差以及全息打印机复杂度高等问题，合肥全色激光显示技术有限公司团队提出了一种基于旋转记录臂的AR头戴显示系统设计方法。通过相位空间分析和频率带优化，显著提升了记录系统角带宽利用率，实现了光学特性的精确调控，为低成本、轻量化AR设备的高效制备提供了重要指导。

　　

在增强现实(AR)技术快速发展的今天，头戴显示系统的轻量化与高性能始终是一对难以调和的矛盾。传统光学元件体积大、重量高，而基于全息光学元件(Holographic Optical Elements, HOEs)的方案虽然具有轻薄、高透光性的优势，但其自由曲面相位记录却面临巨大挑战——昂贵的波前校正元件缺乏灵活性，全息打印机系统复杂度过高，且自由曲面HOEs的非周期性结构导致制备良率低下、成本激增。

针对这一行业痛点，合肥全色激光显示技术有限公司的研究团队在《Displays》发表了创新性研究成果。该团队提出了一种基于旋转记录臂的自由曲面HOEs设计方法，通过巧妙利用空间光调制器(SLM)的角带宽优化，实现了AR头戴显示系统的高效制备。研究首次建立了相对孔径(RA)与衍射效率η的定量关系，为自由曲面HOEs的工业化生产提供了关键技术路径。

关键技术方法包括：1) 采用SLM逐点全息打印技术替代传统自由曲面透镜；2) 通过旋转记录臂优化记录系统角带宽；3) 基于ZEMAX进行光线追迹设计优化；4) 在MATLAB中完成衍射效率的频率带分析。研究团队还创新性地提出波矢映射法，通过相位空间变换框架分析播放光场演变规律。

【系统设计方法】
研究建立了以虚拟像面位于光学无限远为基准的成像设计框架。通过光线追迹分析发现，在固定视场角(FOV)和孔径约束条件下，相对孔径(RA)成为决定光学组件物理尺寸和最大光线角带宽的关键参数。仿真显示，当RA从f/1.0增大到f/2.0时，系统体积可缩减58%，但会牺牲部分衍射效率。

【角带宽增强】
研究团队提出的波矢映射法在SLM对齐坐标系中展现出卓越性能。通过相位空间分析发现，旋转记录臂可使系统角带宽利用率提升2.3倍。特别值得注意的是，当ΔK_Z(表征布拉格失配冗余度的关键参数)控制在±0.5μm^-1范围内时，衍射效率η可保持在90%以上。

【讨论】
针对商业AR产品对大眼动范围(eyebox)的需求，研究表明该系统可通过几何缩放实现眼动范围扩展。但分析也指出，当系统体积按立方规律增长时，需在光学性能与穿戴舒适度间取得平衡。与Xiong提出的出瞳扩展方法相比，该方案在保持光学架构完整性的同时，具有更好的工艺兼容性。

【结论】
这项研究开创性地将旋转记录臂技术引入自由曲面HOEs制备领域，突破了传统波前校正元件的成本与灵活性限制。通过建立RA与η的定量关系，为AR头戴显示系统提供了可量化的设计准则。特别值得关注的是，该方法使HOE1能承担主要光学焦力，而HOE2仅需维持较低的局部空间频率，这一设计理念显著降低了制备难度。该成果为低成本、轻量化AR设备的规模化生产奠定了重要基础，在工业制造、医疗可视化等领域具有广阔应用前景。