球面照明超广角全息近眼显示技术：基于频域计算的高效成像方法及其非均匀分辨率特性研究

推荐：研究人员针对增强/虚拟现实(AR/VR)近眼显示(NED)中视场角(FoV)受限问题，开发了基于球面参考波的计算机生成全息(CGH)方法SFDM。该技术通过频域计算实现视场从29°×29°扩展至97.2°×60°，并首次量化了图像分辨率的非均匀性(Bhx与fx0相关)。实验验证FoV提升至65.7°×51.2°，为沉浸式显示提供了新方案。

　　

在虚拟与增强现实技术迅猛发展的今天，人类视觉系统对近眼显示设备提出了严苛要求：既需要覆盖中央60°和周边120°的视场角(FoV)，又要满足视觉辐辏-调节冲突(vergence-accommodation conflict)的生理需求。传统立体显示系统因无法解决这一矛盾，导致视觉疲劳等问题。全息近眼显示(HNED)因其能完整再现三维场景光场而备受关注，但现有技术面临核心瓶颈——受限于空间光调制器(SLM)的像素尺寸(Δ)和光学系统限制，难以实现超广角(UWA, FoV>90°)成像。

Tomasz Kozacki团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表的研究中，创新性地提出采用球面参考波照明策略。传统平面波照明系统的FoV由λ/2Δ决定，而球面照明通过增加空间带宽积(SBP)，使总带宽B_sfx成为SLM带宽B_fx与照明带宽B_fi之和。这种技术路径不仅突破物理限制，还意外发现球面波能部分补偿RGB组件间的FoV差异——蓝色通道FoV可达红色通道的85%，较平面波方案的70%显著提升。

研究采用相位空间分析(PSD)和频域计算两大关键技术。通过建立局部空间频率半径r_lx0=-R_p/cos²(θ_xz)模型，首次量化了球面照明下分辨率的高度非均匀特性：中心区域分辨率最高（x方向0.12mm），边缘区域因亚全息图尺寸B_hx缩小而分辨率下降（x方向达10mm）。团队开发的球面参考频域方法(SFDM)包含两个创新模块：基于压缩SBP表示的全息图更新算法，以及考虑角度依赖亚全息图的带宽转换系统。

图像分辨率与形状研究

通过相位空间图证明，球面照明使点源PSD覆盖整个全息图但仅占用窄带宽B_fxp。推导出分辨率公式Res_xp=B_fxp^-1，显示其与方向余弦cos(θ_p)和cos²(θ_xz)相关。4K全息模拟显示，平面波系统x方向分辨率范围0.24-0.37mm，而球面照明系统达0.12-10mm，呈现强烈非对称性。

球面波FoV增强机制

实验构建的HNED系统采用4F光学架构（L₁=100mm，L₂=21mm），通过调节点源距离z₁=212mm实现带宽扩展。测量显示平面波照明FoV为14.7°×31.5°，球面照明提升至65.7°×51.2°。相位模式(PM)重建中，未应用振幅校正因子a_c的版本出现边缘暗区，验证了非均匀亚全息图尺寸的影响。

全息图生成算法验证

对比空间不变卷积方法(SICM)发现，传统算法在x_p=389.7mm处产生17%坐标误差并引发混叠。SFDM处理的30百万点船舶模型（尺寸1340×793×678mm）重建显示，中心区域聚焦清晰度优于边缘，符合理论预测的变分辨率特性。

这项研究的意义在于建立了球面照明HNED的完整理论框架，首次揭示了FoV扩展与分辨率非均匀性的定量关系。提出的SFDM算法在GPU上仅需54.97秒即可处理10⁷个物点，较传统空间域算法提速2.5万倍。实际应用中，该技术可使AR眼镜在保持相同eyebox(3.27×1.93mm)情况下，FoV扩大两倍；或相同FoV下eyebox面积倍增，为满足人类视觉生理需求提供了关键技术路径。未来结合眼动追踪技术，可进一步发挥其中心高分辨率的优势，推动沉浸式显示设备发展。