微軟新AR/VR專利提出「帶固定焦距透鏡的變焦頭顯」解決方案

2020-10-03 映維網

（映維網 2020年09月28日）困擾現代VR頭顯的一個重大挑戰是視覺輻輳調節衝突。在現實世界中，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。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，視覺調節（彎曲眼睛晶狀體以聚焦不同距離的對象）永遠不會改變，但視覺輻輳（眼睛向內旋轉以將每隻眼睛的視圖重疊成一個對齊圖像）卻會出現，從而導致視覺輻輳調節衝突。

視覺輻輳調節衝突容易造成用戶產生眼睛疲勞，噁心，頭暈等問題。針對這種情況，行業廠商紛紛嘗試的一個主要解決方案是能夠相應地改變焦距的變焦式頭顯。

根據美國專利商標局日前公布的一份專利申請，微軟曾為AR頭顯構思了一種名為「Varifocal Display With Fixed-Focus Lens（帶固定焦距透鏡的變焦頭顯）」的解決方案。

近眼顯示系統一般採用與固定光焦透鏡串聯的可調諧透鏡，從而支持可調諧透鏡在有限的操作條件範圍內使用。潛在的性能優化取決於實現，包括更大的孔徑、更優的調製傳遞函數（MTF）和更低的功耗。對於HoloLens等透明實現，近眼顯示系統包括互補的固定光焦可調透鏡對，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#10A包括配置成發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光器#20照明的高解析度空間光調製器（SLM）#18。發光器可以包括發光二極體（LED）或雷射二極體，並且SLM可以包括諸如矽上液晶（LCOS）或數字微鏡陣列。SLM和顯示投影儀的發光器操作地耦合到顯示控制器#22。顯示控制器控制SLM的光導向像素元件矩陣，致使SLM調製從發光器接收的光，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製，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，可通過其他技術進行實現。

近眼顯示系統#10A同時包括至少一個光波導#24，其配置成接收來自顯示投影儀#16的顯示光，並將顯示光釋放到觀察者#O。這裡的觀察者是指佩戴了近眼顯示系統的用戶#14的光學有利視點。在一些實施例中，觀察者#O可以對應於用戶的瞳孔位置。

光波導#24包括入射光柵#26和出射光柵#28。入射光柵#26是衍射結構，其配置成接收顯示光並將顯示光耦合到光波導中。在耦合到光波導後，顯示光通過全內反射（TIR）從光波導的正面#30F和背面#30B穿過光波導。出射光柵#28是一種衍射結構，其配置成能夠在觀察者#O的方向從光波導中可控地釋放傳播的顯示光。所以，出射光柵包括一系列強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傳播的方向上由弱到強排列，從而允許顯示光在出射光柵的長度上以均勻的強度釋放。這樣，光波導#24能夠擴大顯示投影儀#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#10A形成的每個顯示圖像是指在觀察者#O前面的預定距離Z.sub.0呈現的虛擬圖像。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/或其他光學元件設計參數的固定函數。基於所述的永久性結構，焦平面可以定位在一個期望的深度，如無窮遠，300釐米，或200釐米等。

採用固定焦平面的立體近眼顯示系統呈現的虛擬圖像可以被用戶感知成位於固定焦平面前面或後面的受控可變距離。這種效果可以通過控制左右立體圖像的對應像素水平視差來實現。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。當通過立體近眼顯示設備同時查看是，左右顯示圖像可以作為虛擬圖像對用戶顯示。在圖3中，虛擬圖像呈現了每個單獨渲染的可視中心的可視平面。

對於圖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）相關聯的深度坐標#Z.sub.i。所需深度坐標可模擬如下：首先，選擇到立體近眼顯示系統的焦平面F的距離Z.sub.0。如上所述，Z.sub.0可以設置成無窮遠，300釐米，或200釐米等。或者說，光學系統可以配置有電子可調的光焦度，以允許Z.sub.0根據虛擬圖像的距離範圍動態變化。

一旦設定了到焦平面的距離Z.0，可視中心#i的深度坐標Z就因而確定。這是通過在左右顯示圖像中調整與可視中心#i相關聯的兩個像素相對於各自圖像幀的位置視差來實現。在圖4中，右圖像幀中與可視中心#i相對應的像素表示為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出現在焦平面F的後面；負的位置視差致使可視中心#i出現在焦平面F的前面。最後，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直接位於焦平面。

在上述方法中，尋求在左右顯示圖像的對應像素之間引入的位置視差是指水平視差，即平行於觀察者瞳孔間軸的視差。

如上文所述，近眼顯示系統可以結合立體視差的適當控制來實現變焦控制。對於微軟構思的解決方案，近眼顯示系統包括可變光焦度的變焦透鏡#38。變焦透鏡配置成響應於聚焦偏置而改變從光波導#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於固定焦平面前面或後面的受控可變距離。

對於變焦透鏡#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包括夾在透明電極塗層#44A和#44B之間的一層向列相LC#42。每個透明電極塗層可包括布置在透明介質基板#46之上的高摻雜半導體材料（例如，銦錫氧化物）。電極塗層#44A可跨越基板，但電極塗層#44B可被分割，從而形成單個微電極#48並由顯示控制器#22獨立尋址。

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塗層44A之間的電場矢量。電場矢量影響位於微電極和電極塗層之間的空間中的LC分子的取向，進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值，從而模擬示例性折射透鏡的光學功能，亦即通過立體視差的適當控制來實現變焦控制。

在其他示例中，變焦透鏡#38可以基於替代技術，例如使用電潤溼、彈性膜或機械驅動透鏡來代替上述基於LC的變焦透鏡。

相關專利：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將於何時商業化所述的發明技術。

值得一提的是，Facebook Reality Labs的顯示系統研究總監道格拉斯·蘭曼（Douglas Lanman）在今年1月的EI2020大會表示，經過五年的努力，Facebook已經在技術層面解決了視覺輻輳調節衝突，但不確定何時能以實惠的成本推向大眾消費者。

另外，蘋果和Valve等廠商同樣有申請一系列的變焦實現專利。


原文連結：https://yivian.com/news/78491.html

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