珑璟光电与中山大学合作研究,基于光波导对准直光束的平行传输能力和其扩瞳功能,将光波导作为背光,通过时序光源和光波导的组合,搭建时序背光的头戴式SMV-VR系统,有效克服背光扩展所需额外厚度的问题。论文发表于《Optics Express》。

波导指向背光的超多视角虚拟现实近眼显示 

Super multi-view near-eye virtual reality with directional backlights from wave-guides

本期导读

头戴式虚拟现实(VR)显示大多基于双目视觉,存在辐辏-会聚冲突(VAC)问题,导致视觉不适。为获得舒适健康的三维视觉,解决VAC问题的光场技术正引起越来越多的关注。其中,超多视图技术(SMV)向观察者任一瞳孔分别投射多个视图,牵引观察者眼睛聚焦于显示场景以弱化VAC问题。在提供离焦模糊效应的同时,头戴式SMV系统仅需向观察者瞳孔及其附近的有限区域投射视点,其高效的视点利用率使基于现有显示器件的舒适三维视觉成为可能。
SMV近眼显示中,
时序孔径时序背光是可以获得优良3D显示效果的两种主流方案。前者通过近眼孔径约束入射光的传播方向和发散角,但近眼孔径的小尺寸特性导致视角受限;后者以时序背光源的像(虚孔径)作为视点,可以克服小视角问题,但点光源出射背光扩展所需空间较大,导致光机结构厚度增加。
来自中山大学和珑璟光电的研究人员,基于光波导对准直光束的平行传输能力和其扩瞳功能,将光波导作为背光,通过时序光源光波导的组合,搭建时序背光的头戴式SMV-VR系统,有效克服背光扩展所需额外厚度的问题。该工作近期以论文形式发表于光学领域老牌期刊Optics Express》上。

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技术路线
技术实现上,该研究提出的头戴式SMV VR目镜结构如图1所示。时序打开各光源的光被准直透镜CL准直后,于光波导内经全反射传播,并被耦出器件COEs扩瞳耦出,作为背光沿各自对应矢向时序入射显示器件DP来自不同光源的、沿各自对应方向的背光经显示器件DP调制,携带对应视图信息被投影器件PL汇聚至各自对应视点。设计相邻视点间距δd小于观察者瞳孔直径,基于视觉滞留,实现向对应瞳孔多于一个视图的投射。
 

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图1. 所提出头戴式SMV VR目镜的光学结构

 

为了获得均匀背光,该研究以几何光波导为例,通过分析光波导结构参数对耦出光强分布的影响,优化设计各平行背光的传输角度。图2为单个光源经光波导出射背光的光分布。 

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图2. 来自单个光源的光波导出射背光 (a)出射光分布图,(b)光强分布。

基于两片光波导,该研究搭建了SMV显示样机,并显示不同深度处的场景,如图3(a)。以CCD相机代替观察者的一只眼睛,分别聚焦于不同深度所拍摄图片如图3(b)和图3(c)所示。可以观察到明显的离焦模糊效应,如图3(d)。

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图3. 样机中的SMV显示 (a)不同深度上的显示场景,(b)和(c)分别聚焦于蜗牛和鹤时所拍摄的图片,(d)局部放大图片。

 

简要小结,该研究利用光波导引导时序光源沿不同矢向提供平行背光,在背光扩展不引入额外结构厚度的情况下,验证性地搭建了头戴式SMV-VR样机。该研究所提出的轻薄光波导指向背光结构,也可以进一步扩展至其它应用场景。然而受选用器件性能指标的限制,样机实现的视角和眼盒尺寸仅为28°和6.05mm。
 

论文信息:

  • Dongdong Teng, Chengliang Lai, Qiang Song, Xin Yang, and Lilin Liu, "Super multi-view near-eye virtual reality with directional backlights from wave-guides," Opt. Express 31, 1721-1736 (2023)

*该技术分享所涉及文字及图片源于发表论文和网络公开素材,不做任何商业用途。

 

原文始发于微信公众号(IntelligentOptics):显示专题 | 波导指向背光的超多视图虚拟现实近眼显示 (OPTICA OE)

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