近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)分析與研究進(jìn)展

近眼顯示技術(shù)（Near-Eye Display）是近年來研究的熱點技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）智能設(shè)備中［1］。VR顯示技術(shù)能讓使用者完全沉浸于虛擬的世界中（如游戲場景、影視中的虛擬場景）。AR技術(shù)則是在使用者眼前的真實場景的基礎(chǔ)上疊加一些虛擬的事物［2］。VR/AR近眼顯示設(shè)備（VR-NED/AR-NED）可統(tǒng)稱為頭戴顯示器（Head Mounted Display，HMD）［3］。自1968年第一臺虛擬圖像頭盔顯示器問世至今，經(jīng)過50多年的發(fā)展，頭盔顯示器在尺寸、成本、顯示效果等方面都得到了不斷的優(yōu)化，核心技術(shù)也得到不斷創(chuàng)新［4］。VR/AR設(shè)備作為近眼顯示技術(shù)比較典型的應(yīng)用產(chǎn)品，現(xiàn)已從原來的軍事訓(xùn)練、航空航天領(lǐng)域逐漸發(fā)展，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、教育、娛樂等民用領(lǐng)域［5］。自從谷歌智能眼鏡概念推出后，各大科技公司紛紛看齊，加入到AR眼鏡的研發(fā)中，AR眼鏡產(chǎn)品先后上市。美國智能眼鏡科技公司Vuzix推出了Blade系列商業(yè)AR眼鏡；微軟也推出了一款偏向于頭顯設(shè)計的AR產(chǎn)品HoloLens 2；AR科技初創(chuàng)公司Magic Leap也在2018年推出了Magic Leap 1 AR眼鏡。日本數(shù)碼影像公司愛普生推出了一款名為Moverio BT-300的AR眼鏡。在國內(nèi)，影創(chuàng)科技公司也發(fā)布了影創(chuàng)Air雙目AR眼鏡、AirNano、AirVR和Halo頭盔等系列產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景［6-8］。

目前國內(nèi)研究的各類近眼顯示系統(tǒng)的技術(shù)方案大致可劃分為以下幾類：雙目視差技術(shù)、視網(wǎng)膜成像技術(shù)、集成成像顯示技術(shù)、全息技術(shù)［9］。本文針對目前迅速發(fā)展的這幾類近眼顯示技術(shù)中的光學(xué)原理進(jìn)行了分析，詳細(xì)剖析了幾類比較典型的系統(tǒng)光路設(shè)計結(jié)構(gòu)，對其各自的技術(shù)特點和研究進(jìn)展進(jìn)行了討論和概括，并提出了一種雙目視網(wǎng)膜投影三維顯示裝置，結(jié)合雙目視差技術(shù)與視網(wǎng)膜成像技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)無輻輳聚焦沖突、高清晰度顯示的視網(wǎng)膜成像3D顯示。

2 雙目視差近眼顯示系統(tǒng)

雙目視差技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)市場上立體顯示產(chǎn)品所采用的主流技術(shù)，現(xiàn)有的VR/AR產(chǎn)品大都采用這種3D顯示技術(shù)，在娛樂、游戲、電商、教育、旅游等行業(yè)中迅速興起，其典型的產(chǎn)品外觀如圖1所示。

圖1  頭戴顯示器產(chǎn)品外觀

Fig.1  Product appearance of head-mounted display

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在基于雙目視差的投影顯示系統(tǒng)中，在顯示屏幕上同時投影兩幅稍有不同的圖像，這兩幅圖像分別對應(yīng)左眼視點和右眼視點，是同一場景分別在左眼以及右眼兩個位置所成的圖像，稱為一對視差圖像。顯示屏幕上投影的視差圖像經(jīng)光學(xué)成像后分別到達(dá)人的左右眼，這兩幅稍有不同的視差圖像經(jīng)過大腦處理后融合，還原了真實場景的深度信息，給人以三維立體的沉浸感受［10］，其原理如圖2所示。

圖2  雙目視差原理

Fig.2  Principle of binocular parallax

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但在基于雙目視差的立體顯示技術(shù)中，由于成像過程中雙眼調(diào)焦距離與輻輳成像距離的不一致，會存在輻輳聚焦沖突。在近眼顯示設(shè)備中具體表現(xiàn)為：人眼需要調(diào)焦到虛擬顯示屏上，以獲得虛擬圖像的信息，同時又需要會聚輻輳到虛擬圖像融合所產(chǎn)生的立體圖像深度的位置，此深度位置通常凸出屏幕外或凹進(jìn)屏幕里，這時就出現(xiàn)輻輳聚焦矛盾（如圖3（b）所示），從而產(chǎn)生視覺上的沖突感［11］。這種沖突在AR顯示時表現(xiàn)得更加嚴(yán)重，雙眼既需要調(diào)節(jié)聚焦到顯示屏幕上（聚焦深度），又需要雙眼圖像融合產(chǎn)生虛擬的立體圖像深度（輻輳深度），同時人眼又需要調(diào)焦到所處的真實場景（真實物體深度）上產(chǎn)生虛實結(jié)合的增強(qiáng)現(xiàn)實顯示效果。聚焦深度、輻輳深度、真實物體深度通常不一樣，當(dāng)投影圖像和真實場景的調(diào)焦距離超過眼球的調(diào)節(jié)范圍時，會引起不自然的視覺感受，增加眼睛疲勞，嚴(yán)重時會產(chǎn)生眩暈、嘔吐感［4，12-15］。

圖3  （a）人眼正常聚焦示意圖；（b）輻輳聚焦沖突示意圖。

Fig.3  （a） Schematic diagram of normal focusing of human eye； （b） Schematic diagram of convergence-accommodation conflict.

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基于雙目視差的VR/AR顯示技術(shù)已相對成熟，其系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，目前已經(jīng)實現(xiàn)了一定程度的商品化。但同時，輻輳聚焦矛盾影響了用戶的使用體驗，用戶長時間佩戴此類VR/AR設(shè)備會感到視覺不適，嚴(yán)重制約了基于雙目視差型VR/AR設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛使用。

研究者們針對無視疲勞影響的近眼顯示方案也開展了大量的研究，提出了基于集成成像顯示技術(shù)、全息技術(shù)、視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)等近眼顯示系統(tǒng)。

3 集成成像近眼顯示系統(tǒng)

集成成像顯示作為3D顯示中的常用技術(shù)一直備受關(guān)注，是3D顯示技術(shù)研究中的熱點方向之一。集成成像技術(shù)包括拍攝和顯示兩個過程［8］，如圖4所示，在拍攝過程中，利用微透鏡陣列記錄真實場景信息，在顯示過程中，用同樣的微透鏡陣列成像還原場景，基于光路可逆原理，可實現(xiàn)三維物體的全真重構(gòu)［16］。

圖4  集成成像顯示技術(shù)原理

Fig.4  Principle of integral imaging display

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為了應(yīng)用到VR/AR等近眼顯示設(shè)備中，近年來眾專家學(xué)者們對集成成像顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化開展了研究［17-18］。

美國亞利桑那大學(xué)的Hua Hong和康尼狄格大學(xué)的Javidi團(tuán)隊提出了一種自由曲面鏡方案，將集成成像近眼顯示系統(tǒng)的成像部分簡化［19］，如圖5所示。微型集成成像顯示單元經(jīng)自由曲面鏡的反射和折射進(jìn)入人眼，產(chǎn)生放大的全真3D圖像，耦合鏡的使用補(bǔ)償了自由曲面鏡對真實光線的折射，使得真實物體光線可以直接透射進(jìn)入人眼，實現(xiàn)全真的增強(qiáng)現(xiàn)實3D顯示效果。相比于傳統(tǒng)集成成像顯示系統(tǒng)，自由曲面鏡使成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加精簡優(yōu)化，但其視場角較小，且自由曲面鏡的厚度仍較大，在頭戴式AR/VR設(shè)備中應(yīng)用仍存在困難。

圖5  自由曲面鏡成像

Fig.5  Freeform mirror imaging

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4 全息近眼顯示系統(tǒng)

全息技術(shù)是目前備受認(rèn)可也是最具發(fā)展前景的立體顯示技術(shù)，被認(rèn)為是終極的3D顯示技術(shù)，在近眼顯示技術(shù)研究領(lǐng)域中頗受關(guān)注。

全息技術(shù)最早于1947年由英國科學(xué)家Dennis·Gabor提出［20］，直到1960年由美國密執(zhí)安大學(xué)的Leith與Upatnieks拍成了第一張全息相片［21］，全息技術(shù)由此吸引了大批專家學(xué)者的目光，有了蓬勃快速的發(fā)展。全息技術(shù)利用干涉和衍射的原理，記錄并再現(xiàn)物體真實的三維信息，其過程分為干涉記錄和衍射再現(xiàn)兩個部分，如圖6所示。

圖6  全息技術(shù)原理

Fig.6  Principle of holography technology

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在記錄過程中利用干涉條紋記錄物體光波信息。兩束相同的激光，其中一束作為物光波照射到被記錄物體上，另一束激光作為參考光束。參考光束和物光束疊加產(chǎn)生干涉條紋，在全息底片上記錄物體光波上各點的相位和振幅信息。將記錄著干涉條紋的全息底片處理成為一張全息圖，全息圖猶如一個復(fù)雜的光柵，其干涉條紋記錄了物體上各點的振幅和相位信息。在再現(xiàn)過程中，利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，利用與記錄過程相同的參考光束照射全息圖，可在空間中完整重建出原物體的振幅和相位，真實地再現(xiàn)出物體的立體特征。由于該過程再現(xiàn)了物體的“全部信息”，因此這種技術(shù)也被稱為“全息術(shù)”［22］。全息技術(shù)因能真實地還原三維物體的輪廓信息，有望成為下一代主流的三維顯示技術(shù)。但全息技術(shù)目前還停留在實驗研究階段，產(chǎn)品化程度還較低。

5 視網(wǎng)膜投影近眼顯示系統(tǒng)

輻輳聚焦矛盾的存在嚴(yán)重影響了用戶的體驗感，而基于麥克斯韋觀察法的視網(wǎng)膜投影顯示能夠克服輻輳聚焦矛盾帶來的視覺疲勞、人眼不適等問題，成為近年來近眼顯示技術(shù)的一個研究熱點。

5.1　麥克斯韋觀察法

麥克斯韋觀察法是基于視網(wǎng)膜投影顯示（Retinal Projection Display，RPD）的關(guān)鍵技術(shù)［13］，其顯示機(jī)理如圖7所示。顯示圖像由空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）發(fā)出，SLM的每個像素點發(fā)出一束平行光，所有平行光束經(jīng)透鏡會聚到人眼瞳孔中心，最后直接在人眼視網(wǎng)膜上成像。

圖7  麥克斯韋觀察法原理

Fig.7  Principle of Maxwellian view

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在采用麥克斯韋觀察法成像的投影系統(tǒng)中，由于圖像光束都經(jīng)過人眼晶狀體的光心，晶狀體的調(diào)焦不會影響細(xì)光束的傳播，投影圖像成像過程不依賴于人眼調(diào)焦，直接成像在視網(wǎng)膜上，因此在人眼變化調(diào)焦深度時，投影圖像仍然能在視網(wǎng)膜上清晰成像，使虛擬圖像的成像過程獨立于眼睛的調(diào)節(jié)，克服了輻輳聚焦矛盾。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者基于麥克斯韋觀察法基本原理提出了優(yōu)化的視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)。

5.2　視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)

西安工業(yè)大學(xué)楊震等人基于麥克斯韋觀察法原理提出了一種透射型頭盔顯示器［23］，該顯示器采用激光作為背景光源，并加入了濾波系統(tǒng)，使圖像直接投影到視網(wǎng)膜上。透射型頭盔顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，采用激光（L）作為背景光源經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)（C）后獲得平行光束，LCD代替SLM顯示投影圖像，擴(kuò)束準(zhǔn)直后的平行光束經(jīng)LCD調(diào)制后攜帶投影圖像信息，在投影系統(tǒng)（L2）前加入了一個小孔濾波系統(tǒng)（由透鏡L1和小孔P1構(gòu)成），濾除高次衍射光波，消除系統(tǒng)的衍射像，濾波后的光線經(jīng)透鏡（L2）會聚到人眼瞳孔中心（P2），最終直接成像到視網(wǎng)膜上。

圖8  視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.8  Retinal projection display system structure

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該視網(wǎng)膜投影系統(tǒng)因采用激光作為背景光源，具有高亮度、高顯色性等特點，并且系統(tǒng)中加入濾波系統(tǒng)，濾除了高次衍射光，使得系統(tǒng)傳遞函數(shù)達(dá)到衍射極限。

近年來隨著硅基液晶（Silicon-based Liquid Crystal，LCOS）制備工藝的提升，LCOS技術(shù)逐漸被應(yīng)用到微型投影顯示系統(tǒng)中。LCOS是一種新型的反射式micro LCD投影技術(shù)，在硅基元上刻蝕三片式LCD結(jié)構(gòu)制備而成，具有尺寸小、分辨率高、衍射效率高、可編程等特點［24-26］。用LCOS作為SLM極大地減小頭盔顯示器結(jié)構(gòu)體積，顯示性能也能得到極大提升［27］。

在此基礎(chǔ)上，西安工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊提出了一種反射式硅基液晶視網(wǎng)膜投影成像系統(tǒng)［3］，其光路結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9  LCOS型視網(wǎng)膜投影成像光路

Fig.9  Optical path of LCOS based retinal projection imaging

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該系統(tǒng)中，激光光束（L）經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直（C）后入射到半透半反鏡（M）上，光束一部分被透射損失掉，一部分反射到LCOS芯片上，反射光線經(jīng)LCOS芯片調(diào)制后形成圖像，然后沿原光路返回，經(jīng)過濾波系統(tǒng)（L1和P）后由投影系統(tǒng)（L2）成像，在人眼和投影系統(tǒng)（L2）之間加入了半透半反鏡，不僅使投影圖像經(jīng)反射后投影成像到視網(wǎng)膜上，而且外界光線經(jīng)透射直接進(jìn)入人眼，實現(xiàn)了融合外界現(xiàn)實物體成像的增強(qiáng)現(xiàn)實顯示效果。該系統(tǒng)結(jié)合了LCOS技術(shù)的特點，具有分辨率高、尺寸小的特點，但該系統(tǒng)中半透半反鏡的使用也導(dǎo)致了部分光線損失。

5.3　激光掃描投影顯示系統(tǒng)

隨著微型機(jī)電（MEMS）系統(tǒng)工藝的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)掃描投影技術(shù)也被用于近眼顯示系統(tǒng)中。北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊設(shè)計了一種采用微機(jī)電系統(tǒng)作為空間光調(diào)制器的掃描式視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)［12］，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10  基于MEMS的激光掃描成像系統(tǒng)

Fig.10  Laser scanning imaging system based on MEMS

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在該視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)中，采用RGB三色激光作為顯示光源，經(jīng)光路入射到帶微機(jī)電系統(tǒng)的二維掃描微鏡上，二維掃描微鏡在微機(jī)電系統(tǒng)控制下快速轉(zhuǎn)動，將RGB三色激光光源發(fā)出的細(xì)光束進(jìn)行快速調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的光束為加載了圖像像素點信息的細(xì)光束，并二維掃描輸出。輸出圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)L1會聚到瞳孔中心，并直接投影到視網(wǎng)膜上。在該MEMS掃描式RPD系統(tǒng)中，采用了RGB三色激光作為調(diào)制光源，具有高亮度、高顯色性、色域廣的優(yōu)勢［28］，并且采用微機(jī)電掃描成像代替激光擴(kuò)束和LCOS的圖像調(diào)制，使得該系統(tǒng)沒有高級衍射像產(chǎn)生，也不需要加入濾波系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且視場尺寸不受屏幕限制。但該系統(tǒng)的顯示性能也會受MEMS轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角和掃描速度的影響。

5.4　雙目視網(wǎng)膜投影成像3D顯示系統(tǒng)

上述幾種近眼顯示系統(tǒng)性能分析如表1所示。基于雙目視差型近眼顯示系統(tǒng)因輻輳聚焦問題，存在視疲勞，不宜長時間使用?；诩沙上耧@示技術(shù)、全息技術(shù)的近眼顯示方案雖能有效解決輻輳聚焦問題，沒有視疲勞現(xiàn)象，但離商品化還較遠(yuǎn)［29］。而基于視網(wǎng)膜投影成像的近眼顯示方案技術(shù)相對簡單，分辨率較高，顯示性能也比較好，是當(dāng)前最有可能得到快速發(fā)展和實用的技術(shù)方案。但視網(wǎng)膜投影只是針對單眼而言，呈現(xiàn)的仍然是2D圖像，缺少立體感。

表1  近眼顯示系統(tǒng)性能分析

Tab.1  Performance analysis of near-eye display systems

輻輳聚焦沖突

圖像

清晰度 系統(tǒng)體積 3D立體感

雙目視差技術(shù) 有 高 緊湊 強(qiáng)

集成成像技術(shù) 無 中 較大 強(qiáng)

全息技術(shù) 無 低 較大 強(qiáng)

視網(wǎng)膜成像技術(shù) 無 高 緊湊 單目無立體感

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本文提出一種雙目視網(wǎng)膜投影三維顯示裝置，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。該裝置分為左、右相同的兩個視網(wǎng)膜成像子系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)分別包含點光源、透鏡、透射型顯示面板和半反半透鏡，各部件的排列結(jié)構(gòu)以雙眼中軸線對稱分布。

圖11  雙目視網(wǎng)膜投影成像顯示結(jié)構(gòu)

Fig.11  Structure of binocular retinal projection imaging display device

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點光源發(fā)出的球面波照射到透射型顯示面板上進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的球面波經(jīng)透鏡會聚，會聚的光線被半反半透鏡反射，在人眼瞳孔處形成會聚點，會聚光線在人眼視網(wǎng)膜上成像，形成清晰的視網(wǎng)膜圖像。左、右眼視網(wǎng)膜成像子系統(tǒng)中的兩個透射型顯示面板分別顯示用于3D顯示的一對視差圖像，形成立體視覺。同時，半反半透鏡對真實世界的光線具有透射作用，真實世界的光線經(jīng)半反半透鏡直接進(jìn)入人眼，真實世界的信息與透射型顯示面板提供的虛擬信息進(jìn)行疊加，實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的三維顯示效果。該裝置結(jié)合了雙目視差型近眼顯示的沉浸式立體感，又采用麥克斯韋觀察法原理，避免了輻輳聚焦沖突，且該裝置結(jié)構(gòu)簡單、顯示分辨率較高。

6 總結(jié)

近眼顯示技術(shù)屬于當(dāng)前的新興顯示技術(shù)，具有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，針對近眼顯示系統(tǒng)設(shè)計方面的研究非?；馃?。雙目視差技術(shù)因其技術(shù)相對成熟，成本較低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，容易實現(xiàn)，已經(jīng)大量地商品化，但存在輳聚焦問題，容易引起視覺疲勞等不適反應(yīng)。集成成像顯示技術(shù)因拍攝和還原過程中都需要微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，顯示性能還不夠完善，要廣泛應(yīng)用到近眼顯示中還有待進(jìn)一步優(yōu)化。全息技術(shù)被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的新型顯示技術(shù)，但全息的數(shù)據(jù)量極大，目前產(chǎn)品化程度極低，還停留在實驗研究階段，離大量產(chǎn)品化還有較遠(yuǎn)的距離。集成成像近眼顯示、全息近眼顯示均能有效解決輻輳聚焦問題，是未來AR/VR設(shè)備的重要技術(shù)方案，目前在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、3D顯示性能提升等方面還需要進(jìn)一步的技術(shù)突破。視網(wǎng)膜投影成像近眼顯示技術(shù)相對簡單、圖像清晰度高，是當(dāng)下最有可能得到快速發(fā)展和實用的AR/VR技術(shù)方案。本文提出的雙目視網(wǎng)膜投影三維顯示裝置將雙目視差3D顯示技術(shù)與視網(wǎng)膜投影技術(shù)有效結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、無輻輳聚焦沖突、高清晰度顯示的視網(wǎng)膜成像3D顯示效果。

目前VR/AR設(shè)備都呈現(xiàn)輕量化設(shè)計的趨勢，不斷向大眾消費(fèi)市場進(jìn)軍，在價格方面也越發(fā)親民，視網(wǎng)膜投影成像AR產(chǎn)品的普及指日可待。在未來的研究中，實現(xiàn)無視覺疲勞、高還原度、三維立體顯示將成為近眼顯示技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。在頭盔式VR/AR顯示技術(shù)中，如何實現(xiàn)更大視場、虛實遮擋、高透光率、更好的用戶體驗舒適度、體感手勢識別技術(shù)等問題也是亟待研究的技術(shù)熱點，也是未來近眼顯示技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。