Foveated near-eye display using computational holography

Abstract

Artırılmış gerçeklik (AG) ekranları endüstriyel, tıbbi ve kullanıcı seviyesi uygulamalardaki potansiyelleri sebebiyle gittikçe daha fazla ilgi çekmekteler. Bilgisayarlar tarafından oluşturulmuş içerikler yardımıyla gerçek dünyanın zenginleştirilebilmesi gözlük şeklindeki AG ekranlara has bir özelliktir ve bu sebeple de bu teknoloji geleceğin ekran teknolojisi olarak görülmektedir. Günümüzde AG ekran tasarımındaki en önemli problem kullanım rahatlığını bozmadan ve gerçek 3 boyutlu görüntü hissini koruyarak geniş görüntü açıları elde edebilmektir.Gerçek 3 boyut deneyimini ve derinlik hissini sağlayabilen tek teknoloji holografidir. Holografik göze yakın ekranlar (HNED) sürekli derinlik algısını ve doğru odaklamayı sağlayarak konforlu bir 3 boyutlu deneyim vaat ederler. Günümüzde var olan HNED'ler kullanılan spatial light modulatorların (SLM) piksel sayılarının düşük olması sebebiyle dar görüntü açılarına ve küçük görüntü pencerelerine sahiptirler. Örnek olarak yaygın HNED mimarilerinde 4K SLM kullanılarak elde edilebilecek görüş açısı 20×10 derecedir.Dinamik olarak görüş penceresi hareket ettirilebilen foveated ekranlar kullanılarak HNED'lerin sorunları çözülebilir. Literatürdeki mimariler hareketli parçalar içermektedir. Hareketli parçaların beraberinde getirdiği hız, boyut ve elektriksel güç kısıtlamaları sebebi ile bu mimariler pratik çözümler değillerdir. Geliştirdiğimiz yeni optik mimari bu kısıtlamaları aşarak geniş görüş açılı HNED'lerin önünü açmaktadır. Yeni mimarimiz kullanıcının baktığı yere göre değişen göz bebeği konumunu hareketli parçalar olmadan kendiliğinden takip etmektedir. Buna ek olarak görüş açısı içerisindeki görüntünün çözünürlüğü insan gözünün optik özelliklerine paralel olarak merkezden kenarlara gidildikçe azalmaktadır ve böylece SLM tarafından sunulan konum – bant-genişliği çarpımı daha efektif kullanılmaktadır.Yeni optik mimari kullanılarak deneysel olarak 28×28 derecelik anlık görüş açısına ve 60×40 derecelik dinamik görüş açısına 4K SLM'ler ile ulaşıldı. Geçmişteki HNED'lere göre anlık görüş açısında 3 kattan fazla ve dinamik görüş açısında 10 kattan fazla iyileştirme yapıldı. Buna ek olarak optik tasarıma özel bir hologram hesaplama algoritması geliştirildi. Hesaplanan hologramlar kullanılarak görüntü kalitesi geliştirildi ve 3 boyutlu derinlik algısı oluşturuldu.

Augmented reality (AR) displays are attracting more and more attention due to their potential in industrial, medical and consumer-level applications. The ability of embedding computer-generated information with the physical world seamlessly is unique to AR displays in glass-like form factor, which is the reason why they are considered the next-generation of display devices. Increasing the field-of-view (FOV) while providing viewing comfort and true 3D vision are the most important challenges in state-of-the-art AR display design.Computational holography is the only technology that can offer true 3D with all the required depth cues. Holographic near-eye displays (HNED) can provide continuous depth planes with the correct accommodation for a comfortable 3D experience. Existing approaches for HNEDs have small FOV and exit pupil size, which are limited by the number of pixels on the spatial light modulator. As an example, conventional holographic head-worn display architectures are limited to about 20×10 degrees FOV using a 4K resolution SLM panel and have fixed FOV. Dynamic foveated displays with a steerable FOV across the visual field are desired. Proposed architectures require multiple moving components, which are not practical for head-worn displays due to speed, size, and power requirements. We present a new optical architecture that can overcome those limitations and substantially extend the FOV supported by the SLM. Our architecture automatically follows the gaze of the viewer's pupil without any moving parts. Moreover, it mimics human vision by providing varying resolution across the FOV resulting in better utilization of the available space-bandwidth product of the SLM. We achieved 28×28 degrees instantaneous FOV within an extended FOV of 60×40 degrees using a 4K SLM, effectively providing a total enhancement of >3× in instantaneous FOV area, >10× in extended FOV area. Furthermore, we have developed a novel hologram computation algorithm for the display and developed a software-based hologram correction procedure that can correct for undesired aberrations. Computer-generated holograms were used to provide 3D depth cues such as focus blur within the instantaneous FOV.