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拟转化成果 | 视网膜投影:全景聚焦的增强现实近眼显示技术
来源:中国光学《液晶与显示》(ESCI、Scopus收录,中文核心期刊)2022 年第 5 期 | 作者:4SHQ | 发布时间: 688天前 | 3697 次浏览 | 分享到:


图1为传统 RPD 的基本原理图。在图1(a)中,点光源经透镜准直后,平行照射空间光调制器(Spatial light modulator,SLM)加载数字图像信息,经目镜在人眼瞳孔处汇聚成光点,直接投射到人眼视网膜上成像,而不受人眼调焦的影响。平行光源在瞳孔处的成像产生了小于瞳孔直径的出瞳孔径,大幅增加了近眼显示系统的景深。


图1(b)是另一种采用 LBS(Laser beam scanning, LBS)方式的 RPD 显示原理。微机电系统(Micro-Electro-Mec hanical System, MEMS)扫描镜对激光束做二维方向的扫描偏转,同时对激光束的强度进行同步调制,加载图像信息,实现激光束扫描投影。再通过目镜在人眼瞳孔处汇聚成光点,实现视网膜投影显示。LBS 方式利用激光的高准直性实现小出瞳孔径,与图1(a)中的被动式光机相比,是一种主动式的显示方法。


由于光线被汇聚至一点,过小的出瞳(eyebox)尺寸使得人眼瞳孔必须正好位于光点上时才能接收到图像,而微小的偏移将导致图像消失。因此出瞳拓展是 RPD 所要解决的关键问题。围绕该问题,国内外学者给出了形式多样的解决方案,主要分为几何光学与衍射光学两大类。


  2. 基于几何光学的 RPD  

基于几何光学的 RPD 通过透镜等几何光学元件,将光束汇聚到人眼瞳孔中,基于几何光学的 RPD 的出瞳拓展方法可分为视点复制视点转向两类。

图2:视网膜投影出瞳拓展;(a)分光镜阵列;(b)机械转向镜;(c)LED 阵列

图源:液晶与显示, 2022, 37(5): 641. Fig.2


视点复制通过产生多个视点,以覆盖较大的眼动范围。图2(a)所示是分光镜阵列方法,使光路多次透反射后形成 3×3 个视点阵列来拓展出瞳。这种视点复制方法简单有效,但需要格外注意视点间距与瞳孔直径之间的匹配。如图3所示,视点间距小于瞳孔直径时会导致视点间串扰,视点间距大于瞳孔直径时会导致图像丢失。由于人眼瞳孔直径随环境光强的变化而改变,视点间距的设计也面临挑战。此外,视点复制得越多,每一视点图像亮度也随之降低。

图3:(a)视点间距过小导致串扰;(b)视点间距过大导致图像丢失

图源:液晶与显示, 2022, 37(5): 641. Fig.3


相比之下,如图2(b)所示,视点转向方法会根据瞳孔的位置动态地改变视点的位置。图2(c)所示是一种利用发光二极管(Light-emitting diode ,LED)光源阵列方案来实现视点转向的方法,根据