來(lái)源：映維網(wǎng) 作者 顏昳華 

困擾現(xiàn)代VR頭顯的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突。在現(xiàn)實(shí)世界中，人眼可以自然地對(duì)焦一個(gè)對(duì)象，而世界的其他元素則脫離焦點(diǎn)。VR/AR的問(wèn)題是，無(wú)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(shuō)，視覺(jué)調(diào)節(jié)（彎曲眼睛晶狀體以聚焦不同距離的對(duì)象）永遠(yuǎn)不會(huì)改變，但視覺(jué)輻輳（眼睛向內(nèi)旋轉(zhuǎn)以將每只眼睛的視圖重疊成一個(gè)對(duì)齊圖像）卻會(huì)出現(xiàn)，從而導(dǎo)致視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突。

視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突容易造成用戶(hù)產(chǎn)生眼睛疲勞，惡心，頭暈等問(wèn)題。針對(duì)這種情況，行業(yè)廠商紛紛嘗試的一個(gè)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(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局日前公布的一份專(zhuān)利申請(qǐng)，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(duì)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(duì)，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(hù)。

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(gè)或多個(gè)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(guò)在時(shí)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(lái)自SLM的反射形成。在其它示例中，可通過(guò)其他技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

近眼顯示系統(tǒng)#10A同時(shí)包括至少一個(gè)光波導(dǎo)#24，其配置成接收來(lái)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(hù)#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(duì)應(yīng)于用戶(hù)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(guò)全內(nèi)反射（TIR）從光波導(dǎo)的正面#30F和背面#30B穿過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(hù)#14的視窗。

由近眼顯示系統(tǒng)#10A形成的每個(gè)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(shí)稱(chēng)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(jì)參數(shù)的固定函數(shù)。基于所述的永久性結(jié)構(gòu)，焦平面可以定位在一個(gè)期望的深度，如無(wú)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(hù)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(guò)控制左右立體圖像的對(duì)應(yīng)像素水平視差來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體請(qǐng)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(guò)立體近眼顯示設(shè)備同時(shí)查看是，左右顯示圖像可以作為虛擬圖像對(duì)用戶(hù)顯示。在圖3中，虛擬圖像呈現(xiàn)了每個(gè)單獨(dú)渲染的可視中心的可視平面。

對(duì)于圖4，每個(gè)可視平面的可視中心#i包括與左右顯示圖像的每個(gè)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(wú)窮遠(yuǎn)，300厘米，或200厘米等。或者說(shuō)，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(dòng)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(guò)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(gè)像素相對(duì)于各自圖像幀的位置視差來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖4中，右圖像幀中與可視中心#i相對(duì)應(yīng)的像素表示為R.sub.i，左圖像幀的像素則表示為L(zhǎng).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(wú)視差，R.sub.i和L.sub.i重合，這時(shí)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)變焦控制。對(duì)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(huì)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(hù)感知成位于固定焦平面前面或后面的受控可變距離。

對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)微電極#48并由顯示控制器#22獨(dú)立尋址。

通過(guò)可控地改變施加在每個(gè)微電極的偏壓，顯示控制器可以控制每個(gè)微電極和電極涂層44A之間的電場(chǎng)矢量。電場(chǎng)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(guò)這種方式，LCSLM#40的整個(gè)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(guò)立體視差的適當(dāng)控制來(lái)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(rùn)濕、彈性膜或機(jī)械驅(qū)動(dòng)透鏡來(lái)代替上述基于LC的變焦透鏡。

相關(guān)專(zhuān)利：Varifocal Display With Fixed-Focus Lens

名為“Varifocal Display With Fixed-Focus Lens”的微軟專(zhuān)利申請(qǐng)最初在2019年3月提交。需要注意的是，這只是一份專(zhuān)利，尚不確定微軟是否會(huì)或?qū)⒂诤螘r(shí)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(huì)表示，經(jīng)過(guò)五年的努力，F(xiàn)acebook已經(jīng)在技術(shù)層面解決了視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突，但不確定何時(shí)能以實(shí)惠的成本推向大眾消費(fèi)者。

另外，蘋(píng)果和Valve等廠商同樣有申請(qǐng)一系列的變焦實(shí)現(xiàn)專(zhuān)利。

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