视网膜投影技术与视网膜扫描显示技术

　　普通的头盔显示系统, 无论其采用怎样的结构形式, 其实质上都是一个目镜系统, 将显示器生成的图像变成放大、拉远的虚像, 再借由人眼聚焦在视网膜上. 如果将人眼也视为系统的组成部分, 则显示器面和人眼视网膜面是共轭的物像面, 通常要获得更大的视场角则需要更大口径、更复杂的系统. 而视网膜投影显示 (retinal projection display, RPD) 打破了这种物像关系, 它采用 Maxwell 观察法, 使用空间光调制器在光束的不同孔径高 (h)、不同方位角 (θ) 的位置叠加图像信息, 让用户眼底的每一点对应于从空间光调制器出射的特定孔径高、特定方位角的光线. 简化的视网膜头盔原理图如图 9 所示.在这种对应关系下, 扩大系统视场角变化成为扩大光束的孔径, 也即对应于增大汇聚透镜的数值孔径.从光学设计角度, 由于汇聚透镜只有零度这唯一的视场角, 采用非球面可以获得大数值孔径. Ando 在其提出采用全息光学元件的头盔显示器中首先用到了 Maxwell 观察法原理 [21].

　　另一方面, 这个系统可以看作具有无穷小出瞳直径的小孔成像模型. 我们知道对于理想的小孔成像系统, 景深为无限大并且改变像面的位置或者倾斜角度并不会对成像的清晰度产生显著影响, 而只是引起放大率和畸变的变化. 同样地, 视网膜投影显示的图像没有远近的概念, 在人眼视度调节的过程中图像始终是清晰的, 而在实际中, 由于系统并不是理想的针孔模型, 系统的景深是有限的. 视网膜显示系统的主要优势在于可以提供更清晰的图像、更高的对比度和更大的景深, 如图 10 所示 [22].

　　视网膜投影成像与视网膜扫描显示 (retinal scanning display, RSD) 是密不可分的, 如果认为视网膜扫描光束的口径足够细, 则可以将后者看作通过时序方式实现了视网膜投影. 两者之间的另一个差别在于, 对于视网膜扫描系统而言, 由于扫描是逐点显示的过程, 可以通过快速调焦来使得每个视场点具有不同的眼底离焦量, 这个离焦量的不同也就对应于显示画面的不同深度. 常见的方法是采用变形镜的方式. von Waldkirch 等 [23, 24] 研究了部分偏振光照明的视网膜扫描显示系统, 并提出用快速调焦的液体透镜进一步扩大视网膜投影系统景深的方法. 2003 年 McQuaide 等 [25] 利用带有变形镜的单眼视网膜扫描显示头盔实现 33 cm 到无限远的显示深度. Schowengerdt 等 [26] 将其扩展为双目系统, 实现了会聚与聚焦可以分别调制的立体头盔显示系统. Kim 等 [27] 将视网膜投影与扫描显示相结合, 由于人眼的视觉暂留作用, 用户观察到的是无数个 Maxwell 观察合成的效果, 从而生成了具有真实深度感的显示效果. 2014 年, Takahashi 等 [28] 利用衍射光学元件, 通过构建多个视点的方式实现了具有真实立体感的视网膜投影. 目前已经投入市场的视网膜投影显示设备与视网膜扫描显示设备主要有 MicroVision 公司的 NOMAD 激光扫描视网膜投影器 [29]、日本兄弟公司的 Airscouter 视网膜扫描头盔2)以及近期进入市场的 Avegant 公司的 Glyph 视网膜投影显示头盔3).

　　视网膜投影显示技术的局限性在于, Maxwell 观察法的汇聚点需要落在用户的瞳孔上, 这需要比较精准的佩戴. 用户在观看过程中的眼球转动也可能导致无法观察到图像的情况. 针对这一点, Takahashi等 [30] 对 Maxwell 观察法进行改进, 使汇聚点的位置不落在瞳孔中心, 而是落在眼球转动中心的位置,使得眼镜在转动过程中依然能看见画面. 对于类似于 Kim 以及 Takahashi 提出的具有多个汇聚点以实现真实立体感的视网膜投影显示或者视网膜扫描显示系统, 则需要保证全部或者足够多个汇聚点同时落在用户瞳孔上.