虚拟显示光学显示技术-大视场高分辨率头盔显示技术

为了提高头盔显示的沉浸感, 必须尽量提高其目视光学系统的视场角. 当实际应用要求头盔显示器的视场角进一步增大时, 采用单显示通道的传统设计方案会出现分辨率下降的问题, 影响到显示的沉浸感效果. 因为视场角和分辨率存在 R = 2θ/N 的关系, 其中 R 为最小可分辨角度, θ 为半视场角,N 为头盔中使用的微型显示器在这个方向上的像素数. 在 N 为一定值时, R 与 FOV 相互制约, 无法同时满足大视场和高分辨率的要求. 因此, 研制高分辨率大视场头盔显示器必须采用新的解决方法.获得大视场高分辨头盔的途径有 3 条, 其一是提高显示器的分辨率 (总像素数), 这要求显示器在不改变尺寸的情况下其像元的尺寸减小. 另外两条途径通过光学手段实现大视场高分辨率: 利用人眼视觉特性, 合理分配显示内容; 通过光学拼接的方式, 将多个具有较小视场角的显示通道合成后获得大视场.

利用人眼视觉特性的方法具体可以分成 3 种实现方式. 第一种利用人眼小凹成像的特性, 仅对关注区域进行高清化显示. 这种方法在大视场范围内显示一幅低分辨率的背景图像, 同时对用户眼部进行跟踪获知用户关注区域, 将另一幅小视场的高清图像重叠在该位置. 这种方法缺点在于需要高精度、快速的眼球跟踪装置, 结构也比较复杂. Rolland 等 [9] 提出静态光电插入式头盔显示原型. 如图 3 所示, 该系统利用微透镜阵列将高分辨率图像复制成图像阵列, 再利用光学开关阵列选通, 将与用户观察位置对应的图像单元叠加在背景图像上. 双目分视技术是另一种利用人眼视觉融合特性的方法. 图 4为这种方法的示意图, 用户的一只眼睛观察大视场低分辨率图像, 另一只眼观察中心区域小视场高分辨率图像. 该方案成本低廉, 但是用户只能观察到中心区域的高清晰图像, 且无法产生立体效果. 美国Kaiser Electro-Optics (KEO) 公司推出相关产品1). 双目交叠技术使得左右眼观察到的视场仅仅只有中心一部分重合, 从而在不损失分辨率也不增加头盔复杂程度的条件下增大水平方向的总视场. 但是这种方法要求低畸变的光学系统, 设计装调难度较大, 同时可能造成用户合像困难、视觉疲劳等问题.

光学拼接将一系列 (N 个) 小视场、高分辨率的显示单元按特定的方式排列安装在一起, 在相接的区域采取部分视场重叠的方式消除缝隙. 拼接式头盔显示器将视场扩大到近乎原来单个模块的 N倍, 并且在整个视场内的角分辨率与单个模块时相同. 对于视场和分辨率之间的矛盾, 这是一个完全解决方案, 可以实现真正意义上的高分辨率大视场头盔显示器, 非常适用于沉浸式的虚拟现实环境. 但是该技术需要多个显示通道, 结构复杂, 拼接装调相对困难. Song[10] 通过双通道目镜的拼接获得了全视场 66^◦× 32^◦ 的头盔显示系统. 由于两个通道的光轴不重合, 梯形畸变难以避免. 除此之外, 传统旋转对称目镜系统的光学拼接还会造成有效出瞳距和有效出瞳直径的减小以及存在视点畸变等问题. 然而, 这些缺陷在自由曲面光学拼接中可以得到校正. 由于自由曲面的非对称特性以及高自由度, 在设图 5 (网络版彩图) 自由曲面棱镜拼接式大视场高分辨率头盔显示系统: (a) 为两面拼接实现 56^◦× 45^◦ 的大视场,在虚拟现实应用中并不需要右侧的自由曲面补偿透镜; (b) 为 6 片拼接以实现 119^◦× 56^◦ 的大视场角 [11]Figure 5 (Color online) Optical tiling of free-form prism HMD (a) and the scheme of achieving a FOV of 119◦× 56◦ with6 prisms (b)

计各个自由曲面子通道的时候可以让其光轴与人眼视轴重合, 从而消除视点畸变与梯形畸变. 通过控制表面面型可以保证系统的有效出瞳距与出瞳直径. Cheng 等 ^[11] 提出了双自由曲面棱镜拼接式的头盔显示设备, 获得 56^◦× 45^◦ 的大视场与 3.2 角分的角分辨率, 参见图 5. 同时, Cheng 等 ^[11] 还提出其他的自由曲面棱镜拼接形式, 其中六块棱镜拼接可以获得 119^◦× 56^◦ 的大视场角, 同时角分辨率保持为 3.2 arcmin.

王涌天, 程德文, 许晨. 虚拟现实光学显示技术. 中国科学: 信息科学, 2016, 46: 1694–1710, doi: 10.1360/N112016-00247