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Title：Geometric lightguide for near-eye light field displays
Author：Shan-Ling Chen, Li-Wei Fu, Jiun-Woei Huang, Kuang-Tsu Shih, and Homer H. Chen
近年来，增强现实（AR）技术的飞速发展对光学显示技术提出了更高的要求。然而，大多数近眼显示设备仍然面临**会聚-调节冲突（Vergence-Accommodation Conflict, VAC）**的问题，导致用户在长时间使用后容易产生视觉疲劳甚至头晕。为了解决这一问题，光场显示（Light Field Display）成为了一种颠覆性的解决方案。本文将介绍一项突破性的研究——基于几何光导的近眼光场显示技术，它不仅优化了视觉体验，还显著提升了光学系统的性能。
1. 传统近眼显示的挑
在AR设备中，光学显示单元的核心功能是引导虚拟图像的光线进入人眼，同时允许真实世界光线透过。然而，现有的光学设计方案存在诸多挑战：
- 固定焦平面
：传统AR显示通常只有一个固定的焦平面，导致虚拟内容与真实世界的视觉融合感较差，进而引发VAC问题。 - 光导设计的局限性
：许多轻薄化的光学设计依赖全内反射（Total Internal Reflection, TIR），但这会产生鬼影（Ghost Artifacts）和杂散光（Stray Light），影响图像质量。 - 眼盒（Eyebox）限制
：较小的眼盒意味着用户需要将眼睛精确对准光学系统，否则可能无法看到完整的虚拟影像。 - 视场角（Field of View, FOV）受限
：大多数光导的设计都限制了FOV，使得沉浸感较差。
2. 几何光导光场显示技术：创新方案
为了克服上述问题，该研究提出了一种**结合几何光导（Geometric Lightguide）与光场生成器（Light Field Generator, LFG）**的新型光学系统，如下图所示：
2.1 关键光学元件
- 光场生成器（LFG）
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采用不同水平和垂直方向焦距的透镜系统，优化视场角。 -
提供30 cm 至无穷远的工作范围，实现连续焦平面显示。
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- 几何光导
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采用部分反射镜阵列，扩展出瞳（Exit Pupil Expansion, EPE），获得更大的眼盒（13mm × 6.5mm）。 - 避免全内反射
，减少鬼影和杂散光，提高图像质量。 -
厚度仅 5 mm，在保持光学性能的同时，实现紧凑轻薄化设计。
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- 准直光学系统（Collimator）
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使光场生成器的光线进入光导时保持准直，减少像差和模糊问题。 -
采用自由曲面透镜进行优化，提高光学系统的整体性能。
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3. 光学性能分析
为了验证该光学系统的优势，研究团队利用LightTools进行光学仿真，测试了以下关键性能指标：
3.1 视场角 & 眼盒
该系统实现了 40° 对角视场角，远超传统鸟浴式（Birdbath）和自由曲面棱镜（Freeform Prism）光学设计。此外，13 mm × 6.5 mm 的眼盒让用户更容易适应显示器位置，而无需精准对齐眼睛。
3.2 图像均匀性
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通过优化部分反射镜的透射率（Transmittance）和间距（Distance），该系统成功提高了光均匀性，使光场图像无明显亮度波动。 -
图像亮度的**均方根误差（RMSE）**在眼盒中心达到最小值，表明优化设计有效提高了图像质量。 
3.3 鬼影抑制
鬼影主要来源于部分反射镜的重复影像。研究人员通过微调部分反射镜的倾斜角度，使光线在 60 cm 处的焦平面上精确重叠，从而显著减少鬼影对近距离成像质量的影响。
3.4 景深（Depth of Field, DOF）
实验表明，该系统在 30 cm 至无穷远 的范围内，都能提供清晰的虚拟图像，并完全避免VAC问题。
4. 应用前景
该光学系统的优化使其在多个领域具有广泛的应用前景：
- 增强现实（AR）和虚拟现实（VR）
：提升用户沉浸感，减少视觉疲劳。 - 医疗手术导航
：提供精准的 3D 影像辅助，提高手术精度。 - 航空 & 国防
：可用于 HUD（抬头显示器）等高端显示设备。 - 工业设计 & 教育
：更直观地呈现 3D 数据，提高用户体验。
🔗 原文链接
https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-63-6-1457
