微软新AR/VR专利提出“带固定焦距透镜的变焦头显”解决方案

　　(映维网2020年09月28日)困扰现代VR头显的一个重大挑战是视觉辐辏调节冲突。在现实世界中，人眼可以自然地对焦一个对象，而世界的其他元素则脱离焦点。VR/AR的问题是，无论你在VR世界中看向何方，你都只是盯着固定的屏幕，亦即看着相同的距离。换句话说，视觉调节(弯曲眼睛晶状体以聚焦不同距离的对象)永远不会改变，但视觉辐辏(眼睛向内旋转以将每只眼睛的视图重叠成一个对齐图像)却会出现，从而导致视觉辐辏调节冲突。

　　视觉辐辏调节冲突容易造成用户产生眼睛疲劳，恶心，头晕等问题。针对这种情况，行业厂商纷纷尝试的一个主要解决方案是能够相应地改变焦距的变焦式头显。

　　根据美国专利商标局日前公布的一份专利申请，微软曾为AR头显构思了一种名为“Varifocal Display With Fixed-Focus Lens(带固定焦距透镜的变焦头显)”的解决方案。

　　近眼显示系统一般采用与固定光焦透镜串联的可调谐透镜，从而支持可调谐透镜在有限的操作条件范围内使用。潜在的性能优化取决于实现，包括更大的孔径、更优的调制传递函数(MTF)和更低的功耗。对于HoloLens等透明实现，近眼显示系统包括互补的固定光焦可调透镜对，从而允许外部图像能够不加修饰地和不失真地传递给用户。

　　如上图所示，近眼显示系统#10A包括配置成发射显示光的显示投影仪#16。显示投影仪包括由一个或多个发光器#20照明的高分辨率空间光调制器(SLM)#18。发光器可以包括发光二极管(LED)或激光二极管，并且SLM可以包括诸如硅上液晶(LCOS)或数字微镜阵列。SLM和显示投影仪的发光器操作地耦合到显示控制器#22。显示控制器控制SLM的光导向像素元件矩阵，致使SLM调制从发光器接收的光，从而形成所需的显示图像。

　　通过在时间上和空间方面控制光调制，显示控制器可以允许显示投影仪投影显示图像(即视频)的同步序列。在上图的示例中，显示图像由来自SLM的反射形成。在其它示例中，可通过其他技术进行实现。

　　近眼显示系统#10A同时包括至少一个光波导#24，其配置成接收来自显示投影仪#16的显示光，并将显示光释放到观察者#O。这里的观察者是指佩戴了近眼显示系统的用户#14的光学有利视点。在一些实施例中，观察者#O可以对应于用户的瞳孔位置。

　　光波导#24包括入射光栅#26和出射光栅#28。入射光栅#26是衍射结构，其配置成接收显示光并将显示光耦合到光波导中。在耦合到光波导后，显示光通过全内反射(TIR)从光波导的正面#30F和背面#30B穿过光波导。出射光栅#28是一种衍射结构，其配置成能够在观察者#O的方向从光波导中可控地释放传播的显示光。所以，出射光栅包括一系列强度不同的光提取特性。出射光栅的光提取特性可以在显示光通过光波导传播的方向上由弱到强排列，从而允许显示光在出射光栅的长度上以均匀的强度释放。这样，光波导#24能够扩大显示投影仪#16的出射光瞳，从而填充或稍微填充用户#14的视窗。

　　由近眼显示系统#10A形成的每个显示图像是指在观察者#O前面的预定距离Z.sub.0呈现的虚拟图像。距离Z.sub.0同时称为显示图像的焦平面深度。在一些近眼显示系统配置中，Z.sub.0值是显示投影仪#16、入射光栅#26、出射光栅#28和/或其他光学元件设计参数的固定函数。基于所述的永久性结构，焦平面可以定位在一个期望的深度，如无穷远，300厘米，或200厘米等。

　　采用固定焦平面的立体近眼显示系统呈现的虚拟图像可以被用户感知成位于固定焦平面前面或后面的受控可变距离。这种效果可以通过控制左右立体图像的对应像素水平视差来实现。具体请参照下图。

　　图3包括左右图像帧#32L和#32R。它们彼此重叠。右图像帧包裹右显示图像#34R，左图像帧包裹左显示图像#34L。当通过立体近眼显示设备同时查看是，左右显示图像可以作为虚拟图像对用户显示。在图3中，虚拟图像呈现了每个单独渲染的可视中心的可视平面。

　　对于图4，每个可视平面的可视中心#i包括与左右显示图像的每个像素(X.sub.i，Y.sub.i)相关联的深度坐标#Z.sub.i。所需深度坐标可模拟如下：首先，选择到立体近眼显示系统的焦平面F的距离Z.sub.0。如上所述，Z.sub.0可以设置成无穷远，300厘米，或200厘米等。或者说，光学系统可以配置有电子可调的光焦度，以允许Z.sub.0根据虚拟图像的距离范围动态变化。

　　一旦设定了到焦平面的距离Z.0，可视中心#i的深度坐标Z就因而确定。这是通过在左右显示图像中调整与可视中心#i相关联的两个像素相对于各自图像帧的位置视差来实现。在图4中，右图像帧中与可视中心#i相对应的像素表示为R.sub.i，左图像帧的像素则表示为L.sub.i。正的位置视差致使可视中心#i出现在焦平面F的后面;负的位置视差致使可视中心#i出现在焦平面F的前面。最后，如果左右显示图像为叠加，亦即无视差，R.sub.i和L.sub.i重合，这时可视中心#i直接位于焦平面。

　　在上述方法中，寻求在左右显示图像的对应像素之间引入的位置视差是指水平视差，即平行于观察者瞳孔间轴的视差。

　　如上文所述，近眼显示系统可以结合立体视差的适当控制来实现变焦控制。对于微软构思的解决方案，近眼显示系统包括可变光焦度的变焦透镜#38。变焦透镜配置成响应于聚焦偏置而改变从光波导#24释放的显示光的会聚。显示控制器#22配置成控制聚焦偏置，从而致使显示光成像到被用户感知成位于固定焦平面前面或后面的受控可变距离。

　　对于变焦透镜#38，其可包括可操作地耦合到显示控制器#22的透射式LCSLM。图5是一个LCSLM配置示例。LCSLM#40包括夹在透明电极涂层#44A和#44B之间的一层向列相LC#42。每个透明电极涂层可包括布置在透明介质基板#46之上的高掺杂半导体材料(例如，铟锡氧化物)。电极涂层#44A可跨越基板，但电极涂层#44B可被分割，从而形成单个微电极#48并由显示控制器#22独立寻址。

　　通过可控地改变施加在每个微电极的偏压，显示控制器可以控制每个微电极和电极涂层44A之间的电场矢量。电场矢量影响位于微电极和电极涂层之间的空间中的LC分子的取向，进而影响光的相位延迟。通过这种方式，LCSLM#40的整个物理孔径的相位延迟分布就可以编程和重新编程成所需的数值，从而模拟示例性折射透镜的光学功能，亦即通过立体视差的适当控制来实现变焦控制。

　　在其他示例中，变焦透镜#38可以基于替代技术，例如使用电润湿、弹性膜或机械驱动透镜来代替上述基于LC的变焦透镜。

　　相关专利：Varifocal Display With Fixed-Focus Lens

　　名为“Varifocal Display With Fixed-Focus Lens”的微软专利申请最初在2019年3月提交。需要注意的是，这只是一份专利，尚不确定微软是否会或将于何时商业化所述的发明技术。

　　值得一提的是，FacebookReality Labs的显示系统研究总监道格拉斯·兰曼(Douglas Lanman)在今年1月的EI2020大会表示，经过五年的努力，Facebook已经在技术层面解决了视觉辐辏调节冲突，但不确定何时能以实惠的成本推向大众消费者。

　　另外，苹果和Valve等厂商同样有申请一系列的变焦实现专利。