虚拟显示光学显示技术-多焦面头盔显示技术

　　人眼对深度信息的感知依据有多个, 其中起着主要作用的是人双眼的会聚线索与单眼的调焦线索.当前大多数立体显示设备都是通过显示具有一定视差的图像引导用户双眼形成特定会聚角而形成立体感. 然而, 用户的眼睛却聚焦到所显示的图像的位置, 这个位置往往和双眼会聚的位置不一致. 有资料显示, 会聚与聚焦的不一致是用户观看立体图像时视觉不适和视疲劳的主要原因之一. 为了让用户获得舒适的虚拟现实体验, 需要具有调节人眼聚焦距离 (即显示的图像的深度) 的头盔显示设备.

　　1996 年, Shiwa 等 ^[12] 提出通过改变目镜到显示器距离的方式调整人眼聚焦的方法并进行实验.在实验中, 由用户控制的步进电机带动目镜进行沿光轴方向的运动, 从而改变人眼聚焦距离, 始终让虚拟图像的深度与双眼会聚的深度一致. 他们的系统能够在 0.3 s 内实现 30 cm 到 10 m 图像深度的切换. 后来也有研究以目镜固定而显示器轴向运动的方式实现类似的功能^[13]. 这类系统含有快速运动元件, 并不实用. 更重要的一点是, 这种设备还需要辅助设备来获悉人眼试图聚焦的深度, 才能将显示的画面调整到正确的距离.

　　为了避免要根据眼睛聚焦的位置来显示图像的情形, 人们提出构建多个具有不同深度的虚拟图像平面 (焦面), 并将待显示的三维物体渲染到不同焦面上的方法. 不同焦面的场景相互融合形成有立体感的三维图像, 有效地改变人眼的调节距离, 产生具有真实感的立体视觉. 现有的产生多个焦面的方法主要有两种: 分时复用式与空间并行式.

　　分时复用式多焦面头盔在某个特定时刻只具有一个深度的焦面, 通过自身光焦度或者物像关系的变化使得系统的焦面在几个特定深度之间迅速切换, 进而生成若干焦平面. Love 等 ^[14] 提出利用方解石晶体的双折射效应与偏振光开关构建分时复用的多焦面头盔显示设备. 这个样机包含两片透镜, 每个透镜具有两个光焦度, 于是根据偏振态的不同能生成 4 个焦面. 使用一个光电液晶起偏器控制通过各镜片的光线偏振态. 这个系统并未能小型化作为头盔显示器使用. Liu 等 ^[15] 提出了利用液体透镜生成两个焦面的显示系统并进行了实验验证. Hu 等 ^[16] 利用变形镜改变中间像的轴向位置, 再借由自由曲面棱镜实现了双焦面的构建, 其光路图如图 6 所示. 这个双焦面系统已经可以佩戴于头部, 但由于光路复杂, 镜片数目较多, 体积仍然比较庞大.

　　空间并行式多焦面系统往往采用多个显示器, 通过多个光学显示通道获得多个焦面. 与分时复用式不同, 空间并行式系统能够同时显示数个不同深度的图像. Rolland 等 ^[17] 于 1999 年提出一种多焦面显示方式, 使用多个具有不同深度的显示器堆栈, 并将待显示的三维场景各个部分显示在位置最接近的显示器上. 目前这个构想还没有实现. Cheng 等^[18] 利用两片自由曲面棱镜的轴向堆叠, 首次设计出了可以佩戴的轻小型双通道头盔显示器, 如图 7 所示. 在这个系统中, 两个显示通道分别产生位于1.25 m 和 5 m 处的焦面.

　　对于分时复用系统, 由于受到人眼最小刷新频率和液体透镜或变形镜、微型显示器刷新频率的限制, 一个微型显示器和液体镜头 (或变形镜) 可以生成 2 到 3 个焦平面. 如果需要更多的焦面则需要额外的分光镜和液体透镜 (或变形镜). 对于空间并行系统而言, 要实现更多的焦面在光路结构上更加困难. 所以目前仍然难以实现具有多个焦面的轻小型头盔显示系统.