虛擬顯示光學顯示技術-多焦面頭盔顯示技術

　　人眼對深度信息的感知依據有多個, 其中起著主要作用的是人雙眼的會聚線索與單眼的調焦線索.當前大多數立體顯示設備都是通過顯示具有一定視差的圖像引導用戶雙眼形成特定會聚角而形成立體感. 然而, 用戶的眼睛卻聚焦到所顯示的圖像的位置, 這個位置往往和雙眼會聚的位置不一致. 有資料顯示, 會聚與聚焦的不一致是用戶觀看立體圖像時視覺不適和視疲勞的主要原因之一. 為了讓用戶獲得舒適的虛擬現實體驗, 需要具有調節人眼聚焦距離 (即顯示的圖像的深度) 的頭盔顯示設備.

　　1996 年, Shiwa 等 ^[12] 提出通過改變目鏡到顯示器距離的方式調整人眼聚焦的方法并進行實驗.在實驗中, 由用戶控制的步進電機帶動目鏡進行沿光軸方向的運動, 從而改變人眼聚焦距離, 始終讓虛擬圖像的深度與雙眼會聚的深度一致. 他們的系統能夠在 0.3 s 內實現 30 cm 到 10 m 圖像深度的切換. 后來也有研究以目鏡固定而顯示器軸向運動的方式實現類似的功能^[13]. 這類系統含有快速運動元件, 并不實用. 更重要的一點是, 這種設備還需要輔助設備來獲悉人眼試圖聚焦的深度, 才能將顯示的畫面調整到正確的距離.

　　為了避免要根據眼睛聚焦的位置來顯示圖像的情形, 人們提出構建多個具有不同深度的虛擬圖像平面 (焦面), 并將待顯示的三維物體渲染到不同焦面上的方法. 不同焦面的場景相互融合形成有立體感的三維圖像, 有效地改變人眼的調節距離, 產生具有真實感的立體視覺. 現有的產生多個焦面的方法主要有兩種: 分時復用式與空間并行式.

　　分時復用式多焦面頭盔在某個特定時刻只具有一個深度的焦面, 通過自身光焦度或者物像關系的變化使得系統的焦面在幾個特定深度之間迅速切換, 進而生成若干焦平面. Love 等 ^[14] 提出利用方解石晶體的雙折射效應與偏振光開關構建分時復用的多焦面頭盔顯示設備. 這個樣機包含兩片透鏡, 每個透鏡具有兩個光焦度, 于是根據偏振態的不同能生成 4 個焦面. 使用一個光電液晶起偏器控制通過各鏡片的光線偏振態. 這個系統并未能小型化作為頭盔顯示器使用. Liu 等 ^[15] 提出了利用液體透鏡生成兩個焦面的顯示系統并進行了實驗驗證. Hu 等 ^[16] 利用變形鏡改變中間像的軸向位置, 再借由自由曲面棱鏡實現了雙焦面的構建, 其光路圖如圖 6 所示. 這個雙焦面系統已經可以佩戴于頭部, 但由于光路復雜, 鏡片數目較多, 體積仍然比較龐大.

　　空間并行式多焦面系統往往采用多個顯示器, 通過多個光學顯示通道獲得多個焦面. 與分時復用式不同, 空間并行式系統能夠同時顯示數個不同深度的圖像. Rolland 等 ^[17] 于 1999 年提出一種多焦面顯示方式, 使用多個具有不同深度的顯示器堆棧, 并將待顯示的三維場景各個部分顯示在位置最接近的顯示器上. 目前這個構想還沒有實現. Cheng 等^[18] 利用兩片自由曲面棱鏡的軸向堆疊, 首次設計出了可以佩戴的輕小型雙通道頭盔顯示器, 如圖 7 所示. 在這個系統中, 兩個顯示通道分別產生位于1.25 m 和 5 m 處的焦面.

　　對于分時復用系統, 由于受到人眼最小刷新頻率和液體透鏡或變形鏡、微型顯示器刷新頻率的限制, 一個微型顯示器和液體鏡頭 (或變形鏡) 可以生成 2 到 3 個焦平面. 如果需要更多的焦面則需要額外的分光鏡和液體透鏡 (或變形鏡). 對于空間并行系統而言, 要實現更多的焦面在光路結構上更加困難. 所以目前仍然難以實現具有多個焦面的輕小型頭盔顯示系統.