虚拟现实光学显示技术

虚拟现实光学显示技术

陈雯菁

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心 100160

摘要：随着信息技术的不断发展，在各行各业中都进行了一定的运用，在不知不觉中改变了人们生活、学习、娱乐的模式。伴随着信息技术发展而来的高性能虚拟现实技术和虚拟现实系统也取得了巨大的成功，并取得了良好的显示效果。本文将当今虚拟现实领域的主要现实技术进行了分析，并阐述了头盔显示技术的演变过程，针对当前显示技术遇到的问题提出解决对策，并展望了未来虚拟现实显示技术的发展趋势。

关键词：虚拟现实；头盔显示；光学显示

虚拟现实也就是我们经常听到的VR，借助计算机发展模拟的三维空间，通过视觉、听觉、触觉的模拟方式，带给使用者前所未有的体验，如同一个虚拟的新世界一般^[1]。人们接受讯息主要是通过视觉方式，而虚拟现实技术的关键就是虚拟图像的现实，而本文也着重探究了虚拟现实的显示技术。

一、目镜式头盔显示系统

通过小型二维显示器产生的影像，通过光学系统进行拉远和放大，能够接近于视角的放大效果，并且将获得的虚拟图像显示在人眼前方3cm左右，也就是目镜式头盔显示的原理。此外，由于人的眼睛有两个眼球，在使用虚拟现实设备时获得的图像也是双通道的，不可避免会出现一定的视差。因此，现阶段的头盔显示器在使用了光学系统和微显示原件组成的。对于分辨率和刷新速度，微显示元件能够有效的分辨，对显示像素的数量和更新图像的快慢能够进行有效控制。当前目镜式头盔显示系统使用的微显示器有LCoS、OLED和LCD等多种不同的形式^[2]。视场角、出瞳距离、出瞳直径都是光学系统中重要的参数，在出瞳直径范围内，良好佩戴头盔通常可以看见完整画面。对用户而言，大于10mm的出瞳距离和大于4mm的出瞳直径，会让头盔的佩戴更为舒适。在实际的使用过程中，头盔的显示系统也是多样化的，光学系统需要配合显示器进行工作，因此根据使用的显示器型号，也需要对使用的光学系统进行适当调整。在光学设计环节，非球面与衍射面的实际效果基本相同，但衍射面相较于非球面，有更强的矫正像差作用。

因此，目镜式头盔显示器也分为0.3到0.8英寸的微显示器，以及3.5到5.5英寸的中显示器头盔系统。在虚拟现实技术发展的最早期阶段，头盔使用的显示器往往是微显示器，借助球面镜成像的原理获取图像，但是对像差的矫正能力较差，也需要耗费更多的镜片数量，视场角也相对较少。基于减少镜片数量的需求，也为了提升整体的光学性能，在头盔显示器中也应用了衍射元件和非球面镜系统。

日本的okuyama和Yamazaki率先提出了自由曲面棱镜式头盔，通过折射的方式，光线从微显示器进入到楔形棱镜之后，通过全内反射和一次反射后从棱镜表面射出，进入到人眼。这样的方式的像差校正能力得到了明显的提升，仅仅第一次使用一片光学元件得到的显示效果边十分明显，并且系统相对轻小。在自由曲面棱镜系统的基础上，Cheng等人进行了在设计，借助像质自动平衡的方式，实现了大视角，相较于同时期的其他自由曲面棱镜系统，在参数上的优势是十分明显的，显示效果也有了大幅度的提升。而随着近年来LCD和OLED显示器分辨率的大幅度提升，使用中等显示器尺寸的头盔显示器逐渐普及。相较于其他显示器类型，中等显示器尺寸的头盔显示器支持手机显示。而作为具备运算处理功能的智能化设备，将手机作为头盔显示系统的组成部分，能够有效降低使用和生产成本。站在光学设计的角度，使用尺寸更大的显示器，意味着光路中光线的偏转角会更小，光学系统的设计和应用也会更加简单。而中等尺寸显示器的头盔只能使用单片球面透镜或者半球面透镜就能获得较好的现实效果，视场角也可以达到90°甚至以上。美国的Oculus公司是最先将中等尺寸显示器头盔推向市场并取得成功的企业，而随着近年来消费升级，对该类型头盔的购买力逐渐增长，这类头盔的设计，过于追求大视场角会导致镜片元件中心厚度增大，为了解决这一问题，通过透镜减少镜片厚度的方式，让视场角达到了150°。目前，手机显示器分辨率不足限制着该类型头盔的进一步发展。

二、多焦面头盔显示技术

对于深度信息的感知，人眼的感知依据是多样化的，其中作用最为明显的是单眼的调焦和双眼的会聚线索。当前阶段，通过显示具有一定视差的图像来引导用户双眼形成特定会聚角，进而实现立体感，是当前大多数立体设备的主要原理。但实际上用户眼睛聚焦的图像位置，往往是和双眼会聚位置不同的。根据相关研究表明，用户在观看立体图像过程中之所以会感觉到疲劳甚至是不适，主要原因就是聚焦与会聚的位置不同。为了给用户带来更好的使用感受，头盔显示设备也应当具备调整人眼聚焦距离的功能。

于是，Shiwa等人在96年尝试通过改变目镜到显示器距离的方式，来对人眼的聚焦距离进行调整，进行了相关的实验探究。在实际的实验环节，按着光轴的运动方向，用户控制的步进电机带动目镜进行运动，来调整人眼聚焦距离，直到双眼会聚深度与虚拟图像的深度一致

^[3]。在0.3s内，该系统能够实现30到10cm图像深度的切换。在这类系统当中使用了快速运动的元件，实际应用效果一般，并且还需要使用相应的辅助设备，才能够调整到正确的距离，获取有效的画面。为了转变图像显示需要根据眼睛聚焦位置调整的现状，人们构建了多个深度不同的虚拟图像，并且在不同焦面上找到了显示三维物体渲染的方式。通过不同焦面的场景渲染和相互融合，构建了立体的三维图像，对人眼的调节距离做出了改变，给人强烈的真实感。在现阶段，产生多个焦面的方式有空间并行式和分时复用式两种形式。

空间并行式会使用多个显示器，借助不同的光学显示通道来获取多个焦面，不同于分时复用式，空间并行式能够将不同深度的图像同时显示出来。在1999年，出现了多焦面显示方式，多个不同深度的显示器堆栈，并且将各个部位显示在最接近的显示器上，但还没有真正有效应用。借助两片自由曲面棱镜进行轴向堆叠，设计出了可以佩戴的轻小型双通道头盔显示器，分别显示1.25m和5m处的焦面。

而分时复用式在特定时刻只有一个深度的焦面，通过自身光焦度或物像关系的调整，实现在特定深度之间的切换，进而生产多个焦平面。而Liu提出使用液体透镜生成两个焦面的显示系统，并通过实验进行了验证，在此基础上Hu借助变形镜将中间像的轴向位置转变，通过曲面棱镜构建了双焦面。但由于光路较为复杂，镜片数量相对较多，体积也比较巨大。在目前阶段，具有多个焦面的轻小型头盔显示系统仍然难以实现。

三、单眼视觉头盔显示系统

解决会聚与聚焦不匹配的问题，单眼视觉可能是一种有效的解决方式。在很长一段时间，单眼视觉都是治疗老花眼的一种有效方式，借助手术或者配戴眼镜的方式，让一只眼睛负责观察近处物体，一只眼睛负责观察远处物体。虽然这种方式无法让左右眼同时看清物体，但在实际应用过程中取得的效果却十分明显。随着该技术的不断发展，在立体显示领域也进行了一定的运用。现阶段，单眼视觉头盔已经被制作出来，右眼图像显示于无穷远处，而左眼图像显示于50cm处，开展了相应的实验。相较于传统视差型头盔显示系统，单眼视觉头盔显示系统能帮助用户精确识别目标，也会减少很多的时间，进而提升用户的使用舒适度。相较于多焦面头盔系统，单眼视觉头盔系统制作起来更加简单，并且耗费的成本相对较少。

结束语：

虚拟现实的显示方式是多种多样的，而头盔显示设备是最有发展前进的虚拟现实显示设备。目前的头盔显示器还需要解决用户的舒适度体验问题，解决聚焦与会聚的不匹配问题，需要开展后续的研究探索，推动虚拟现实技术的进一步发展。

参考文献：

[1]王涌天,程德文,许晨.虚拟现实光学显示技术[J].中国科学:信息科学,2016,4612:1694-1710.

[2]张丽敏.基于光学显示的虚拟现实显示技术研究[J].黑河学院学报,2019,1003:215-216.

[3]周利华.浅述虚拟现实的视觉显示[J].内蒙古电大学刊,2007,01:49-50.