光学透视增强现实(optical see-through augmented reality,OST-AR)系统提供前所未有的用户体验，预计将对通信、远程工作、娱乐、医疗保健、教育、模拟和培训等应用产生变革性影响。这些新的用户体验将数字图像无缝叠加在用户周围的物理环境上。在这些系统中，近眼显示器是用户和数字叠加内容之间的主要视觉接口。因此，设计OST-AR显示器以提供视觉上引人注目的结果，同时为不同的用户群体提供舒适的体验至关重要。为此，OST-AR显示器必须能够在目标应用的视场上显示高质量数字图像，具有大视野和高度的颜色和亮度均匀性，同时保持设备轻薄。现有的OST-AR系统不能够同时实现所有这些目标。
博览:2021 OpticsExpress 用于轻薄光学透视AR的全息pancake光学器件
技术背景：
光学透视增强现实(optical see-through augmented reality,OST-AR)系统提供前所未有的用户体验，预计将对通信、远程工作、娱乐、医疗保健、教育、模拟和培训等应用产生变革性影响。这些新的用户体验将数字图像无缝叠加在用户周围的物理环境上。在这些系统中，近眼显示器是用户和数字叠加内容之间的主要视觉接口。因此，设计OST-AR显示器以提供视觉上引人注目的结果，同时为不同的用户群体提供舒适的体验至关重要。为此，OST-AR显示器必须能够在目标应用的视场上显示高质量数字图像，具有大视野和高度的颜色和亮度均匀性，同时保持设备轻薄。现有的OST-AR系统不能够同时实现所有这些目标。
传统的OST-AR显示设计用于眼镜形式时，可以根据空间分布大体分为三类，即将光学元件和光源放置 1) 在处方镜片(prescription lens,即验光后所需要佩戴规格的镜片)的前面，2) 在处方镜片的后面，或 3) 使用处方镜片的现有表面作为光波导或一些平面光波导和处方镜片排列，以满足(验光)处方规格。
当前不足：
尽管全息pancake光学器件已经早在1985年就被设计和制造用于眼镜式显示，但是到目前为止(2021年)还没有光学透射式的解决方案。
文章创新点：
基于此，谷歌的Ozan Cakmakci(一作兼通讯)和斯坦福大学的Gordon Wetzstein等人提出第一款基于全彩全息偏振折叠式pancake光学器件(4mm厚)的光学透射式AR(OST-AR)系统。视场角为29°X12°，大眼动框允许水平方向±10mm和垂直方向±3mm的眼球离心运动(对于4mm直径瞳孔而言)。
原理解析：
光学透射式AR显示系统包含了微显示器(0.7'' Sony ECX335C OLED, 8.1um pixels, 1920*1080,500nits)、平面光波导、偏振分光镜、线偏振片、全息pancake光学器件(30%光效)等(见图1A)。
(1) 从微显示器上不同像素点发出的光线经过线偏振片(LP)转化为线偏振光耦合进光波导片(Flat lightguide)，在波导片内完成多次内反射后经偏振分光片(PBS)反射进入光透射式全息pancake(见图1B)。
(2) 全息pancake的构成顺序为四分之一波片(QWP)→全息光学元件(HOE)→偏振分光片和四分之一波片(PBS&QWP)→线偏振片(LP)。由波导片入射进pancake的线偏振光经第一个四分之一波片(QWP-1)转化为圆偏振光，然后大多数光线透射穿过全息光学元件(入射光与HOE的第一次交互，此时入射角不满足布喇格条件，所以透射为主)，然后经过四分之一波片和偏振分光片(PBS&QWP-2)共同作用反射回全息光学元件发生衍射作用(此时反射回的入射角满足布喇格条件)，全息光学元件开始展现出反射镜的功能，使得光反射回后续光路(经典pancake的原理见附录)。
(3) 全息光学元件制作。在AR系统里，数字图像光束和自然场景光束的合束是关键所在。最简单的合束器是一个50:50的分光片，但是对于头戴式、眼睛式的应用来说太笨重了。全息光学元件是一个轻薄的平板，其记录的是体全息图，只对满足布喇格条件(对入射角和波长明确要求)的光形成明亮的衍射再现像，对不满足此条件的光则相当于一个透射平板。全息光学元件可以制作成具有各种光学功能的元件，如微透镜阵列功能，反射镜功能等。微透镜功能的记录和使用见图2。本文将全息光学元件作为反射镜使用，通过将同轴的准直平面波与同轴的曲率半径为60mm的球面波在16um厚的光致聚合物(photopolymer)薄膜上干涉形成(两束光的方向相反，从而生成反射模式全息图)。记录的全息图在639nm、532nm、457nm下多色复用记录(记录装置示意图见附录)，用于彩色显示。
实验结果：
图3A为做成可穿戴式的AR显示器，图3B和C分别为室内和室外的实验结果。图3D为AR显示器各个模块与一个US quarter硬币的尺寸对比。
附录：
(1) 经典pancake光学器件的原理。见下图。
a、显示器(DISPlay)的出射光经过线偏振片(LP-2)转化为P线偏光，
b、流经四分之一波片(QWP-2)转换为右旋圆偏振光(RCP)，
c、流经50/50分光镜(BS)，
d、透射的右旋圆偏振光流过四分之一波片(QWP-1)转换成P线偏光
e、被偏振分光片(PBS)以P偏振态形式反射回四分之一波片(QWP-1)
f、P线偏光流经四分之一波片(QWP-1)转换成右旋圆偏振光(RCP)
g、右旋圆偏振光(RCP)被分光镜(BS)反射转换成左旋圆偏振光(LCP)
h、左旋圆偏振光流经四分之一波片(QWP-1)转换成S偏振态线偏光
i、S线偏光透射偏振分光片(PBS)
j、流经线偏振片(LP-1)以S偏振态进入人眼。
(2) 本文HOE制作装置
参考文献：Ozan Cakmakci, Yi Qin, Peter Bosel, and Gordon Wetzstein, "Holographic pancake optics for thin and lightweight optical see-through augmented reality," Opt. Express 29, 35206-35215 (2021)
DOI：https://doi.org/10.1364/OE.439585
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