前言

在近眼显示中,大脑接收到眼睛调焦和会聚之间的线索不匹配时,就会发生辐辏调节冲突(Vergence-accommodation conflict, VAC)。

光场显示——助力沉浸式XR体验
Figure 1 VAC产生原理

众所周知,辐辏调节冲突一直是近眼显示中的一个痛点,业内也采取了很多方案来解决,比如变焦显示、视网膜投影显示、多平面显示等。

但这些措施只能在一定程度上缓解晕眩,并不能完全解决VAC问题。

VAC的最终解决方案必然是真三维显示技术,而光场显示(Light Field Display)便是其中一种行之有效的技术方案。

什么是光场显示?

光场显示是一种利用光线追踪的方式,在空间中重构出3D场景的显示技术。

与同为真三维显示技术的全息显示技术相比,光场显示的数据量更小,成本更低,体积也更小

因此在近眼显示领域中,光场显示是一个饱受关注的发展方向。

1. 光场近眼显示

光场显示的概念早在上个世纪就已被提出,在XR实际产品中的应用最早可以追溯到2013年——NVIDIA展出了一款自研的3D立体显示头戴光场显示器。

通过传统的LCD显示屏+微透镜阵列实现了数十个视点的3D近眼显示。

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Figure 2 NVIDIA 3D立体显示头戴光场显示器

总厚度仅10mm,但单个视点分辨率仅146×78,视场角也只有29°×16°。

分辨率和视场角等问题一直是限制光场显示进一步发展的重要因素

针对分辨率的问题,瑞士厂商CREAL创新性地提出用点光源阵列配合高刷新的DMD空间光调制器,代替传统的结构。

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Figure 3 CREAL光场显示器

通过时分复用的方式补偿空间分辨率的不足,开发了AR/VR原型机,实现了更细腻的显示效果。

但这种创新性的结构带来的问题是,其失去了传统光场显示结构的轻量化,显得比较笨重。

而针对视场角的问题,耐德佳通过空间复用的方式,实现了最大70°视场角的AR光场显示,系统整体厚度仅5mm。

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Figure 4 耐德佳空间复用AR光场显示

光场显示在XR的另一个应用方向是助力超薄光机设计。

如下Figure 5所示为首尔国立大学提出的基于微透镜阵列和菲涅尔透镜的Pancake VR结构原理和显示效果。

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Figure 5 光场Pancake VR

(引自论文《Lenslet VR: Thin, Flat and Wide-FOV Virtual Reality Display Using Fresnel Lens and Lenslet Array》)

利用这种结构可以将光学系统的厚度降到3.3mm,整个模组的厚度仅8.8mm。

与目前常见Pancake模组的厚度相比,具有非常大的优势。

但采用这样的结构,产生了分辨率损失和串扰的问题。

然而,苹果对于光场显示技术的利用则是另辟蹊径。

在其发布的Vision Pro中,有一个独特的功能——Eyesight反向透视。

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Figure 6 苹果Vision Pro Eyesight功能

这个功能便是靠曲面显示屏+柱透镜阵列的光场显示方式实现的,可以让别人从外界看到你的人脸,实现眼神交互和神态信息传递。

并且从不同角度观看时,会对应人脸的不同视角,具有真实人脸般的立体感。

2. 光场裸眼显示

除了近眼显示外,光场显示在裸眼3D显示领域也是大放异彩。

TCL、京东方、索尼等各大显示厂商先后都推出过各自的3D光场显示器。

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Figure 7 TCL华星裸眼3D光场显示器

华为在今年举行的智能汽车解决方案发布会上,更是推出了全球首款车载光场显示屏HUAWEI xScene。

可以实现3米远距成像和90PPD超视网膜分辨率,有效缓解了车载显示器带来的晕动症

华为的光场屏其实并没有实现3D显示效果,还不能称作是真正意义上的光场显示,但同样也是基于产品端应用的一个积极探索。

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Figure 8 HUAWEI xScene车载光场显示屏

光场显示作为解决VAC的一种有效手段,未来必定是一个重要的发展方向。

如何平衡分辨率、视场角等指标,实现真正意义上的商业化落地,将是光场显示必须要考虑的一个问题。

 

原文始发于微信公众号(S-Dream Lab):光场显示——助力沉浸式XR体验

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作者 sun, keting

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