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Optical Module

珑璟光电与中山大学合作，实现波导背光的超多视点光场VR三维显示

Bysun, keting

Jan 31, 2023
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，时序孔径和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。该工作近期以论文形式发表于光学领域老牌期刊《Optics Express》上。

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)

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。
 

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)

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。 

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)

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)。

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)

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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