视场角可达70°,耐德佳研发空间复用型AR光场显示技术

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在目前绝大多数头戴显示设备中,视觉立体感都是靠双目视差产生的。但由于成像原理都是基于传统的单透镜成像,这些设备的虚拟画面往往成像在固定距离处。也就是说,无论双目视差如何,人眼的晶状体总是聚焦在固定距离处,而不完全符合双目视差所带给我们的画面深度信息。这种现象被称为辐辏-聚焦矛盾(vergence-accommodation conflict, VAC)。由于不符合人眼的自然观察状态,它在一定程度上会造成用户的视觉疲劳。尤其是在AR中,当把虚拟信息叠加在距离用户较近位置处时,由于人眼对虚拟信息和真实环境的聚焦状态差异很大,虚实融合的效果则会变得很不自然。

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辐辏-聚焦矛盾示意图

这个问题可以通过避免把虚拟信息放在距离用户较近位置处来缓解,比如Microsoft HoloLens中,在用户一定距离范围内的虚拟信息会被消隐。但随着AR应用的深化和普及,一些应用将不得不把虚拟信息呈现在更近处,如手掌上、笔尖处。这时,尽管虚拟信息离用户很近,但用户的眼睛却不得不聚焦在几米以外的位置。VAC问题所带来的视觉不适感将极大影响AR应用的使用体验!

针对这个问题,学界提出了光场显示的概念,即通过空间光调制器在一定空间范围内复原出光线在自然状态下的分布情况。几年前出现的光场相机(如Lytro和Raytrix)便是光场理论的典型应用。这些设备所记录的画面中包含了所拍摄景物的深度信息。在VR/AR中,我们也可以采用类似的方法来显示不同深度的信息,即光场显示。目前最接近实际应用的一种光场显示是采用透镜阵列+光场图像的方式,使每个像素点与透镜形成对应的位置关系,从而由图像坐标 (x, y) 和透镜坐标 (u, v) 定义四维光场 (x, y, u, v),并在出瞳范围内重现出来。

在此理论基础上,耐德佳首次提出了空间复用型AR光场显示(称作DLA技术)。通过在透明基片上建造微结构阵列作为空间光调制器,同时在另一透明基片上建造小型显示阵列作为图像源,当二者遵循一定的对齐方式时,来自真实环境的光线和来自显示阵列的光线便能够分别经过DLA的不同区域而同时进入出瞳范围。如此一来,系统既能实现AR显示,又能复原出空间光场。

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耐德佳空间复用型AR光场显示效果实拍图

虚拟信息可以被渲染在几乎任意深度处,以模拟光线在自然情形下进入人眼的状态,缓解由VAC问题所带来的视觉疲劳和虚实融合失调问题。在理论计算的基础上,耐德佳设计的AR光场显示目前可实现最大70°的视场角和不小于8mm的出瞳直径,而系统整体厚度则仅为5mm。与近年来风靡的波导型AR显示不同,该系统除了DLA和图像源之外,不包含任何额外的光路准直结构,且更易实现量产,因此更加适合普通眼镜形态的AR产品,也更加适宜AR应用的要求。目前相关研究成果已申请多项专利。

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