來源：映維網(wǎng) 作者 顏昳華
困擾現(xiàn)代VR頭顯的一個重大挑戰(zhàn)是視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。在現(xiàn)實(shí)世界中，人眼可以自然地對焦一個對象，而世界的其他元素則脫離焦點(diǎn)。VR/AR的問題是，無論你在VR世界中看向何方，你都只是盯著固定的屏幕，亦即看著相同的距離。換句話說，視覺調(diào)節(jié)（彎曲眼睛晶狀體以聚焦不同距離的對象）永遠(yuǎn)不會改變，但視覺輻輳（眼睛向內(nèi)旋轉(zhuǎn)以將每只眼睛的視圖重疊成一個對齊圖像）卻會出現(xiàn)，從而導(dǎo)致視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。
視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突容易造成用戶產(chǎn)生眼睛疲勞，惡心，頭暈等問題。針對這種情況，行業(yè)廠商紛紛嘗試的一個主要解決方案是能夠相應(yīng)地改變焦距的變焦式頭顯。
根據(jù)美國專利商標(biāo)局日前公布的一份專利申請，微軟曾為AR頭顯構(gòu)思了一種名為“Varifocal Display With Fixed-Focus Lens（帶固定焦距透鏡的變焦頭顯）”的解決方案。
近眼顯示系統(tǒng)一般采用與固定光焦透鏡串聯(lián)的可調(diào)諧透鏡，從而支持可調(diào)諧透鏡在有限的操作條件范圍內(nèi)使用。潛在的性能優(yōu)化取決于實(shí)現(xiàn)，包括更大的孔徑、更優(yōu)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和更低的功耗。對于HoloLens等透明實(shí)現(xiàn)，近眼顯示系統(tǒng)包括互補(bǔ)的固定光焦可調(diào)透鏡對，從而允許外部圖像能夠不加修飾地和不失真地傳遞給用戶。
如上圖所示，近眼顯示系統(tǒng)#10A包括配置成發(fā)射顯示光的顯示投影儀#16。顯示投影儀包括由一個或多個發(fā)光器#20照明的高分辨率空間光調(diào)制器（SLM）#18。發(fā)光器可以包括發(fā)光二極管（LED）或激光二極管，并且SLM可以包括諸如硅上液晶（LCOS）或數(shù)字微鏡陣列。SLM和顯示投影儀的發(fā)光器操作地耦合到顯示控制器#22。顯示控制器控制SLM的光導(dǎo)向像素元件矩陣，致使SLM調(diào)制從發(fā)光器接收的光，從而形成所需的顯示圖像。
通過在時間上和空間方面控制光調(diào)制，顯示控制器可以允許顯示投影儀投影顯示圖像（即視頻）的同步序列。在上圖的示例中，顯示圖像由來自SLM的反射形成。在其它示例中，可通過其他技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
近眼顯示系統(tǒng)#10A同時包括至少一個光波導(dǎo)#24，其配置成接收來自顯示投影儀#16的顯示光，并將顯示光釋放到觀察者#O。這里的觀察者是指佩戴了近眼顯示系統(tǒng)的用戶#14的光學(xué)有利視點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，觀察者#O可以對應(yīng)于用戶的瞳孔位置。
光波導(dǎo)#24包括入射光柵#26和出射光柵#28。入射光柵#26是衍射結(jié)構(gòu)，其配置成接收顯示光并將顯示光耦合到光波導(dǎo)中。在耦合到光波導(dǎo)后，顯示光通過全內(nèi)反射（TIR）從光波導(dǎo)的正面#30F和背面#30B穿過光波導(dǎo)。出射光柵#28是一種衍射結(jié)構(gòu)，其配置成能夠在觀察者#O的方向從光波導(dǎo)中可控地釋放傳播的顯示光。所以，出射光柵包括一系列強(qiáng)度不同的光提取特性。出射光柵的光提取特性可以在顯示光通過光波導(dǎo)傳播的方向上由弱到強(qiáng)排列，從而允許顯示光在出射光柵的長度上以均勻的強(qiáng)度釋放。這樣，光波導(dǎo)#24能夠擴(kuò)大顯示投影儀#16的出射光瞳，從而填充或稍微填充用戶#14的視窗。
由近眼顯示系統(tǒng)#10A形成的每個顯示圖像是指在觀察者#O前面的預(yù)定距離Z.sub.0呈現(xiàn)的虛擬圖像。距離Z.sub.0同時稱為顯示圖像的焦平面深度。在一些近眼顯示系統(tǒng)配置中，Z.sub.0值是顯示投影儀#16、入射光柵#26、出射光柵#28和/或其他光學(xué)元件設(shè)計參數(shù)的固定函數(shù)?；谒龅挠谰眯越Y(jié)構(gòu)，焦平面可以定位在一個期望的深度，如無窮遠(yuǎn)，300厘米，或200厘米等。
采用固定焦平面的立體近眼顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)的虛擬圖像可以被用戶感知成位于固定焦平面前面或后面的受控可變距離。這種效果可以通過控制左右立體圖像的對應(yīng)像素水平視差來實(shí)現(xiàn)。具體請參照下圖。
圖3包括左右圖像幀#32L和#32R。它們彼此重疊。右圖像幀包裹右顯示圖像#34R，左圖像幀包裹左顯示圖像#34L。當(dāng)通過立體近眼顯示設(shè)備同時查看是，左右顯示圖像可以作為虛擬圖像對用戶顯示。在圖3中，虛擬圖像呈現(xiàn)了每個單獨(dú)渲染的可視中心的可視平面。
對于圖4，每個可視平面的可視中心#i包括與左右顯示圖像的每個像素（X.sub.i，Y.sub.i）相關(guān)聯(lián)的深度坐標(biāo)#Z.sub.i。所需深度坐標(biāo)可模擬如下：首先，選擇到立體近眼顯示系統(tǒng)的焦平面F的距離Z.sub.0。如上所述，Z.sub.0可以設(shè)置成無窮遠(yuǎn)，300厘米，或200厘米等。或者說，光學(xué)系統(tǒng)可以配置有電子可調(diào)的光焦度，以允許Z.sub.0根據(jù)虛擬圖像的距離范圍動態(tài)變化。
一旦設(shè)定了到焦平面的距離Z.0，可視中心#i的深度坐標(biāo)Z就因而確定。這是通過在左右顯示圖像中調(diào)整與可視中心#i相關(guān)聯(lián)的兩個像素相對于各自圖像幀的位置視差來實(shí)現(xiàn)。在圖4中，右圖像幀中與可視中心#i相對應(yīng)的像素表示為R.sub.i，左圖像幀的像素則表示為L.sub.i。正的位置視差致使可視中心#i出現(xiàn)在焦平面F的后面；負(fù)的位置視差致使可視中心#i出現(xiàn)在焦平面F的前面。最后，如果左右顯示圖像為疊加，亦即無視差，R.sub.i和L.sub.i重合，這時可視中心#i直接位于焦平面。
在上述方法中，尋求在左右顯示圖像的對應(yīng)像素之間引入的位置視差是指水平視差，即平行于觀察者瞳孔間軸的視差。
如上文所述，近眼顯示系統(tǒng)可以結(jié)合立體視差的適當(dāng)控制來實(shí)現(xiàn)變焦控制。對于微軟構(gòu)思的解決方案，近眼顯示系統(tǒng)包括可變光焦度的變焦透鏡#38。變焦透鏡配置成響應(yīng)于聚焦偏置而改變從光波導(dǎo)#24釋放的顯示光的會聚。顯示控制器#22配置成控制聚焦偏置，從而致使顯示光成像到被用戶感知成位于固定焦平面前面或后面的受控可變距離。
對于變焦透鏡#38，其可包括可操作地耦合到顯示控制器#22的透射式LCSLM。圖5是一個LCSLM配置示例。LCSLM#40包括夾在透明電極涂層#44A和#44B之間的一層向列相LC#42。每個透明電極涂層可包括布置在透明介質(zhì)基板#46之上的高摻雜半導(dǎo)體材料（例如，銦錫氧化物）。電極涂層#44A可跨越基板，但電極涂層#44B可被分割，從而形成單個微電極#48并由顯示控制器#22獨(dú)立尋址。
通過可控地改變施加在每個微電極的偏壓，顯示控制器可以控制每個微電極和電極涂層44A之間的電場矢量。電場矢量影響位于微電極和電極涂層之間的空間中的LC分子的取向，進(jìn)而影響光的相位延遲。通過這種方式，LCSLM#40的整個物理孔徑的相位延遲分布就可以編程和重新編程成所需的數(shù)值，從而模擬示例性折射透鏡的光學(xué)功能，亦即通過立體視差的適當(dāng)控制來實(shí)現(xiàn)變焦控制。
在其他示例中，變焦透鏡#38可以基于替代技術(shù)，例如使用電潤濕、彈性膜或機(jī)械驅(qū)動透鏡來代替上述基于LC的變焦透鏡。
相關(guān)專利：Varifocal Display With Fixed-Focus Lens
名為“Varifocal Display With Fixed-Focus Lens”的微軟專利申請最初在2019年3月提交。需要注意的是，這只是一份專利，尚不確定微軟是否會或?qū)⒂诤螘r商業(yè)化所述的發(fā)明技術(shù)。
值得一提的是，F(xiàn)acebook Reality Labs的顯示系統(tǒng)研究總監(jiān)道格拉斯·蘭曼（Douglas Lanman）在今年1月的EI2020大會表示，經(jīng)過五年的努力，F(xiàn)acebook已經(jīng)在技術(shù)層面解決了視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突，但不確定何時能以實(shí)惠的成本推向大眾消費(fèi)者。
另外，蘋果和Valve等廠商同樣有申請一系列的變焦實(shí)現(xiàn)專利。
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