使用反向想象的全色超名义光栅、紧凑的色散抵偿波导几何结构和东说念主工智能驱动的全息算法组合来克服关联挑战海量激情文学

（映维网资讯）斯坦福大学、英伟达和香港大学的野心东说念主员日前先容了一种有望改动可衣着时候发展主见的AR系统。由新兴空间蓄意领域的大众开采的原型AR头显将全息成像引入日常眼镜，并以紧凑自得的形势参数来为用户提供令东说念主自得的3D体验。

通逾期骗全息术和先进的纳米光子学，野心东说念主员无需依赖宏大的异常光学器件就能将蓄意全息图投影到眼镜镜片。

新兴的空间蓄意系统大要将数字信息无缝近似在用户的物理视图，从而达成了文娱、教会、通讯和培训等各个领域的变革体验。然而，AR流露器的世俗接受受到了终结，这是由于其光引擎的宏大投影光学系统以超越无法准确描写造谣本色的3D深度领导等身分所影响。

针对这个问题，斯坦福大学的野心东说念主员建议了一种全息AR系统，使用反向想象的全色超名义光栅、紧凑的色散抵偿波导几何结构和东说念主工智能驱动的全息算法组合来克服关联挑战。元件属于共同想象，以排斥空间光调制器和波导之间对宏大准直光学器件的需求，并以紧凑的开采形势参数来呈现充满活力的全彩3DAR本色。

与其他波导比拟，团队建议的光学系统在达周至彩3D全息图像的中继方面具有专有性，具有高均匀性和透视后果。这种权臣的能力是通过使用反向想象的元名义光栅耦合器达成的。在AR、VR和可衣着开采等应用中，超名义已说明比传统的折射和衍射光学元件提供更高的衍射后果、光谱采选性、Q因子和透射率。

与所述才能不同，团队的才能不仅优化了开采并展示了超名义的新应用，并且共同想象了通盘光学系统，包括高折射率玻璃波导和超名义光栅耦合器的几何形势，以达成与全息AR流露系统的兼容。

波导全息术由于其图像质地差，其应用受到终结。为了布置这一挑战，野心东说念主员统一物理精准建模时候和东说念主工智能，开采了一个形色关系波在波导中传播的数学模子。模子的可学习部分通过使用录像头反馈进行自动校准。这种才能权臣鼓舞了最近的东说念主工智能驱动全息算法，使其适用于透视AR建树中的紧凑波导。期骗所述系统，单个OSTAR波导赢得了高质地、全彩的多平面3D全息图像。与关联的光学想象比拟，系统以紧凑的形势参数提供了前所未有的全色图像质地，为实在的3D全息AR眼镜开辟了说念路。

反向想象超名义波导

关于OSTAR流露器，至关进犯的是为用户提供一个无阻遏的物理环境视图，同期将数字信息近似在视图之中。波导图像组合器是薄透明光学系统，并已成为应用的行业表率。团队的超名义波导系统想象优化了紧凑性、色散创新、传输后果和角度均匀性，以餍足3DAR应用的高条款。

波导系统中关系波前的精准操作关于全息流露器至关进犯，但由于关系光的插手性质，这终点具有挑战性。野心东说念主员使器具有总计玻璃超名义均匀想象的高折射率玻璃材料来布置这一挑战。

为了使范围反射和插手最小化，紧凑型波导系统需要单层耦合器。耦合器必须以高衍射角换取宽带可见光通过波导，确保全内反射（TIR）。

数值分析标明，折射率为1.8或更高是通过单个耦合器传输总计红色、绿色和蓝色波长所必需的，更高的折射率扩大了视场。这强调了在系统想象中使用高折射材料的进犯性。另外，高折射率玻璃（n > 1.8）不错确保最小的经受损耗（k ≈ 0）并提供有余的光-物相互作用，而典型的玻璃（n < 1.5）由于弱光-物相互作用而不及以局部支配电磁波。终结，高折射率玻璃超名义达成了高透过后果和衍射后果之间的均衡，跳动了典型玻璃超名义的能力。

尽管高折射率玻璃大要期骗TIR传播宽带光，但全色操作同期需要色散创新。行为开采级科罚决议，色短工程超名义可能是一种采选，但它们每每莫得有余的解放度来餍足AR应用所需的系统性能（即高均匀性和透视后果）。

是以，团队通过超名义波导系统的几何想象和输入输出耦合器的k矢量匹配，在系统级创新色散。输入和输出耦合器想象为具有不异的动量，但主见相悖，因此它们不错在莫得可不雅察到的色散的情况下将入射光耦入和耦出。

另外，为了在空间上匹配耦合器，野心东说念主员通过精准想象波导厚度以及对称超名义耦合器的尺寸和距离来想象色散抵偿波导几何结构。来自耦入器的红色、绿色和蓝色波前辨别通过一次、三次和五次内反射传播通过波导，然后在耦出器处再会，如上图a所示。

为了优化超名义光栅的几何结构，以赢得最大的衍射后果和角反馈的均匀性，团队接受了严格的耦合波分析求解器。超名义耦合器以横向电偏振方式使命，以提供更均匀的光学反馈。优化历程使用梯度着落法，从2D空间域中随即启动化的几何体启程点，并期骗Adam解算器来细化元名义光栅的概括。

优化回路中的赔本函数使红色、绿色和蓝色波长的第一衍射级后果之和最大化，同期使这三种波长的不同入射角（从−5°到5°）的后果规范偏差最小化。通过假定x轴对称性将想象历程简化为一维，并通过添加高斯隐隐来琢磨大面积超名义的制造公役。所得到的想象治理到双线超名义光栅，如上图c所示。

这种几何形势产生了超名义耦合器，不错将入射波换取到红色、绿色和蓝色波长的高衍射角，如电场踱步和近似的坡印廷矢量所阐明的。进犯的是，优化的分歧称纳米结构不仅栽植了一个方朝上的衍射后果，并且栽植了入射角上的均匀性。

上图e流露了反向想象的超名义耦合器达成的高穿透后果，在可见光谱中达到约78.4%。上图f则包含反向想象的超名义和红色、绿色和蓝色波长的典型光栅的传递函数。

与传统光栅比拟，由于纳米结构中优化的电磁共振，无论入射角若何，超名义皆推崇出均匀的透射率。上图g量化了传递函数的均匀性，传递函数界说为视角范围内最小振幅和最大振幅的比率。反向想象的超名义对红色、绿色和蓝色辨别具有61.7%、91.2%和98.3%的高均匀性，而传统光栅只可达成了58.9%、47.7%和88.8%的均匀性。

所述发现阐明了反向想象的全玻璃超名义耦合器为全色操作提供了极好的角度均匀性和高透过后果。

全息波导制造的一个要津挑战是对名义不顺序性或颗粒混浊的高贤惠度，这径直影响不雅察到的图像质地。是以，野心东说念主员使用电子束光刻时候，在不使用任何其他构成材料的情况下，径直在含铅高折射率玻璃制造超名义系统。

为了幸免残留物颗粒混浊或剥离工艺的名义损坏或物理蚀刻引入的名义不顺序性，团队幸免了用于超名义制造的常用光刻工艺，包括带金属剥离的正电子束抗蚀剂或用于制作蚀刻掩模的负电子束抗抗蚀剂。相悖，他们建议的才能是基于使用多种干法蚀刻才能用正电子束抗蚀剂反向图案化，从而幸免剥离硬掩模。请能干，这种才能同期不错应用于大范围分娩的光刻或纳米压印光刻。

波导传播模子

为了模拟关系光通过超名义波导的传播，团队最初推导了一个物理引发模子。然后，他们展示了若何通过神经汇聚组件对模子进行参数化，而组件不错从录像头反馈中自动学习。正如执行所示，物理和东说念主工智能组件的专有组合关于准确建模这种波导的物理光学器件并用它合成高质地的全息图至关进犯。

尽管诸如fWG之类的物理模子应该准确地形色波导中的波传播，但在引申中，以所需的精度对这种物理光学系统的总计方面进行建模是具有挑战性的。模拟模子与SLM的光学像差、制造波折、源光束或电光效应之间的光波长量级的纳米互异热烈裁汰了不雅察到的全息图像质地。

为了解释模拟模子和物理光学之间的这些细小互异，野心东说念主员在模子中添加了卷积神经汇聚（CNNs）阵势的可学习组件。他们建议将参数aIC和aOC学习为复值场、空间变化的衍射后果以及耦合器内和目的平面的CNN，以解释模拟模子和物理光学之间的不匹配。

执行终结

原型AR流露器将制造的超名义波导与HOLOYE LETO-3纯相位SLM相统一。这个SLM的分辨率为1080 × 1920像素，间距6.4 μm。由于咱们的照明通过波导的后头，野心东说念主员略微歪斜SLM和照明，这么数字本色就不会被到达SLM之前耦合到波导中的任何不需要的光装璜。

团队在上图展示了原型的执行拿获终结。在a中，定性和定量地评估了2D图像质地，并比较了一个浅陋的解放空间传播模子、一个使用严格耦合波分析模拟传递函数的物理引发波传播模子和所建议的将物理模子与录像头校准的可学习参数相统一的基于东说念主工智能的变体。

图b考据了系统在所呈现的数字本色的焦内和焦外区域达成的高图像质地。对3D散焦活动的准确形色则不错收缩流露系统用户的视觉调理辐辏冲突和关联的不适。

终末，图c流露了执行性的全彩3D终结，其中物理场景与数字近似的本色进行光学组合，并使用录像头的不同焦点诞生来捕捉场景。同样，团队建议的才能在很猛进程上优于基线模子。

如上图所示，团队将用传统的解放空间传播模子和他们建议的物理波导模子制作的归并场景的视频全息图进行比较。不错看到，上图标明了团队的分析波导模子和东说念主工智能算法的搀和关于达成高质地全色全息图至关进犯。

通逾期骗全息术和先进的纳米光子学，野心东说念主员无需依赖宏大的异常光学器件就能将蓄意全息图投影到眼镜镜片。

电气工程副考验兼空间蓄意大众戈登·韦茨施泰因（Gordon Wetzstein）暗示，“咱们的头显在外界看来就像一副日常眼镜，但佩带者通过镜片看到的是一个丰富的寰球，上头近似着充满活力的全彩3D蓄意图像。”

固然，团队建议的AR流露器只可在褊狭的视场中近似图像，只可在用户眼前流露大要12度的曲线图像。但科学家们指出，将来的野心不错改善这一视场，举例通过使用一种比当今用于超名义的玻璃更善于盘曲光芒的材料。

延迟阅读：Full-colour3Dholographicaugmented-realitydisplays with metasurface waveguideshttps://paper.nweon.com/15578

固然，不要指望很快就能买到上文所述的全息AR眼镜。韦茨施泰因指出，他们开采的时候“尚莫得实足准备好插足大范围分娩。将这种旨趣考据时候开采成蹧跶品可能需要数年时刻。”

这一碎裂具有潜入的影响，可能影响教会、培训、医疗保健和文娱等领域。执行终结标明，与传统模子比拟，斯坦福大学团队建议的系统具有不凡的图像质地和权臣的性能。异常是，东说念主工智能驱动的波传播模子权臣优于基线，科罚了AR时候中的要津挑战，如3D散焦活动。

---原文连气儿：https://news.nweon.com/120756海量激情文学

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