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功耗降低99%,Panamorph超清VR光学架构解析

近期,投影仪变形镜头厂商Panamorph获得新型VR显示技术专利(US11493773B2),该专利方案采用了紧凑的结构,结合了Pancake透镜和光波导显示模组,宣称比传统VR方案的功耗、发热减少99%以上,可显著提高视场角和图像质量。据悉,Panamorph似乎也将向第三方AR/VR公司出售这项技术,或联合研发该技术,推动最终的产品集成。​

据青亭网了解,Panamorph成立于2007年,此前业务主要是为索尼、JVC、Digital Projection、爱普生、明基等品牌提供4K投影仪的变形透镜,同时也不断在探索AR/VR等智能穿戴设备的显示和图像处理技术。去年,该公司曾出售两项AR/VR显示技术,一个是瞳孔显示调节架构,另外一个则是动态注视点渲染系统。​在去年底,发布了AR/VR显示方案的白皮书,详细解释了其研发的超薄VR透镜和光波导显示模组。

方案原理

据悉,Panamorph设计了一种轻薄的VR眼镜,特点是采用基于眼球追踪的动态调光技术(MSL,全称Modulated Subpupil Lighting),可提升图像清晰度和对比度。

Panamorph的设计由两个协同的成像系统组成,一个是Pancake透镜(或其他的透镜方案),另一个是可调光成像系统。该成像系统包含一个光源阵列,还有一个形成光圈的显示面板,光源透过显示面板成像,然后通过透镜在人眼出瞳位置形成实像。因此,每个光源对应着出瞳范围的一小部分(子瞳孔)。也就是说,子瞳孔仅在瞳孔中心位置显示,超出的部分会被关闭(也就是关闭对应的光源),而这将依赖于动态的注视点追踪技术。

经验证,不管用户瞳孔位置如何变化,MSL模组输出的光几乎都可以在人眼视觉中心自然汇聚。而且,瞳孔位置移动的同时,显示模组也会关闭和开启对应的光源,以形成最合适的子瞳孔图像。

设计初衷

该公司指出,传统近眼显示方案普遍存在许多难题,比如由于显示模组发光面积比人眼瞳孔更大,其发出的大部分光并没有进入视网膜,这不仅费电,还造成光线散射,从而降低图像对比度。此外,光线经过透镜和人眼晶状体时,会产生光学像差,进而降低清晰度,而且人眼晶体对焦的位置如果和AR/VR成像的焦距不匹配,还容易导致VAC等问题。

​因此Panamorph认为,如果将显示屏上99%非必要光线关闭,并将光线聚焦在人眼瞳孔中心,便有望降低功耗,还能通过麦克斯韦光学原理来减少光学像差,同时增加景深。

不过,MSL方案在技术上面临几大挑战,比如缩小子瞳孔尺寸,以及实现紧凑的硬件结构。按照麦克斯韦原理,在出瞳位置形成聚焦良好的子瞳孔,子瞳孔越小(尤其是小于人眼瞳孔),图像质量就越好,景深也越大。而硬件结构越紧凑,才更有可能在商业上可行。这也是为什么Panamorph更倾向于选择Pancake透镜,原理是通过光波导投影模组照亮LCD形成虚像,接着使用调节透镜将光线准直、聚焦,再通过Pancake进入出瞳位置。

​在一个例子中(上图),基于Pancake透镜的MSL方案在2.5米处显示虚像,视场角可达77°(水平)x47°(垂直),出瞳直径为20毫米,适眼距为16毫米。为了减少瞳孔游移,Panamorph将这些光学组件进行优化,因此无论瞳孔位置如何变化,图像都能相对稳定。不过,该优化并未考虑到所使用的照明系统(光源),主要是为了寻找最佳的Pancake透镜设计。

光学设计细节

在MSL方案中,光波导投影模组作为显示面板的背光,优势是:可输出不同角度、且准直的光束,也意味着可以更靠近显示屏和调节透镜,结构更紧凑。

此外,还添加了一个调节透镜,可将透过Pancake透镜的光线进行准直,以更好的在子瞳孔位置对焦。尽管成像结果不完美,但子瞳孔和对应光源之间的对应关系足够稳定,每个光波导投影模组都可以在出瞳位置形成相当对焦的图像,而这些图像则组成了子瞳孔阵列。

Panamorph表示:MSL技术可兼容不同类型的放大透镜和光学显示系统,但我们的设计重点是将它与Pancake(反射折射)透镜、光波导、投影模组和LED光源阵列结合,并不涉及眼球追踪算法和方案。

因此采用该设计后,还需要考虑以下几个问题,比如:如何更好的定位用户瞳孔,如何将子瞳孔与眼球位置关联,如何根据眼球追踪来调节光源强度,从而实现最佳的视觉体验,以及如何保证出瞳图像的亮度看起来足够均匀。该公司还指出,如果用户瞳孔没有和光束对齐,则可能导致图像消失,如果向瞳孔转动的方向移动头部,图像应该会重新出现。后续,或许可以让投影单元根据眼球运动来调节发光方向,来解决这一问题。参考:Panamorph

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