近期，投影儀變形鏡頭廠商Panamorph獲得新型VR顯示技術(shù)專利（US11493773B2），該專利方案采用了緊湊的結(jié)構(gòu)，結(jié)合了Pancake透鏡和光波導(dǎo)顯示模組，宣稱比傳統(tǒng)VR方案的功耗、發(fā)熱減少99%以上，可顯著提高視場(chǎng)角和圖像質(zhì)量。據(jù)悉，Panamorph似乎也將向第三方AR/VR公司出售這項(xiàng)技術(shù)，或聯(lián)合研發(fā)該技術(shù)，推動(dòng)最終的產(chǎn)品集成。

據(jù)青亭網(wǎng)了解，Panamorph成立于2007年，此前業(yè)務(wù)主要是為索尼、JVC、Digital Projection、愛(ài)普生、明基等品牌提供4K投影儀的變形透鏡，同時(shí)也不斷在探索AR/VR等智能穿戴設(shè)備的顯示和圖像處理技術(shù)。去年，該公司曾出售兩項(xiàng)AR/VR顯示技術(shù)，一個(gè)是瞳孔顯示調(diào)節(jié)架構(gòu)，另外一個(gè)則是動(dòng)態(tài)注視點(diǎn)渲染系統(tǒng)。在去年底，發(fā)布了AR/VR顯示方案的白皮書(shū)，詳細(xì)解釋了其研發(fā)的超薄VR透鏡和光波導(dǎo)顯示模組。

方案原理

據(jù)悉，Panamorph設(shè)計(jì)了一種輕薄的VR眼鏡，特點(diǎn)是采用基于眼球追蹤的動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)（MSL，全稱Modulated Subpupil Lighting），可提升圖像清晰度和對(duì)比度。

Panamorph的設(shè)計(jì)由兩個(gè)協(xié)同的成像系統(tǒng)組成，一個(gè)是Pancake透鏡（或其他的透鏡方案），另一個(gè)是可調(diào)光成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)包含一個(gè)光源陣列，還有一個(gè)形成光圈的顯示面板，光源透過(guò)顯示面板成像，然后通過(guò)透鏡在人眼出瞳位置形成實(shí)像。因此，每個(gè)光源對(duì)應(yīng)著出瞳范圍的一小部分（子瞳孔）。也就是說(shuō)，子瞳孔僅在瞳孔中心位置顯示，超出的部分會(huì)被關(guān)閉（也就是關(guān)閉對(duì)應(yīng)的光源），而這將依賴于動(dòng)態(tài)的注視點(diǎn)追蹤技術(shù)。

經(jīng)驗(yàn)證，不管用戶瞳孔位置如何變化，MSL模組輸出的光幾乎都可以在人眼視覺(jué)中心自然匯聚。而且，瞳孔位置移動(dòng)的同時(shí)，顯示模組也會(huì)關(guān)閉和開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的光源，以形成最合適的子瞳孔圖像。

設(shè)計(jì)初衷

該公司指出，傳統(tǒng)近眼顯示方案普遍存在許多難題，比如由于顯示模組發(fā)光面積比人眼瞳孔更大，其發(fā)出的大部分光并沒(méi)有進(jìn)入視網(wǎng)膜，這不僅費(fèi)電，還造成光線散射，從而降低圖像對(duì)比度。此外，光線經(jīng)過(guò)透鏡和人眼晶狀體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光學(xué)像差，進(jìn)而降低清晰度，而且人眼晶體對(duì)焦的位置如果和AR/VR成像的焦距不匹配，還容易導(dǎo)致VAC等問(wèn)題。

因此Panamorph認(rèn)為，如果將顯示屏上99%非必要光線關(guān)閉，并將光線聚焦在人眼瞳孔中心，便有望降低功耗，還能通過(guò)麥克斯韋光學(xué)原理來(lái)減少光學(xué)像差，同時(shí)增加景深。

不過(guò)，MSL方案在技術(shù)上面臨幾大挑戰(zhàn)，比如縮小子瞳孔尺寸，以及實(shí)現(xiàn)緊湊的硬件結(jié)構(gòu)。按照麥克斯韋原理，在出瞳位置形成聚焦良好的子瞳孔，子瞳孔越?。ㄓ绕涫切∮谌搜弁祝?，圖像質(zhì)量就越好，景深也越大。而硬件結(jié)構(gòu)越緊湊，才更有可能在商業(yè)上可行。這也是為什么Panamorph更傾向于選擇Pancake透鏡，原理是通過(guò)光波導(dǎo)投影模組照亮LCD形成虛像，接著使用調(diào)節(jié)透鏡將光線準(zhǔn)直、聚焦，再通過(guò)Pancake進(jìn)入出瞳位置。

在一個(gè)例子中（上圖），基于Pancake透鏡的MSL方案在2.5米處顯示虛像，視場(chǎng)角可達(dá)77°（水平）x47°（垂直），出瞳直徑為20毫米，適眼距為16毫米。為了減少瞳孔游移，Panamorph將這些光學(xué)組件進(jìn)行優(yōu)化，因此無(wú)論瞳孔位置如何變化，圖像都能相對(duì)穩(wěn)定。不過(guò)，該優(yōu)化并未考慮到所使用的照明系統(tǒng)（光源），主要是為了尋找最佳的Pancake透鏡設(shè)計(jì)。

光學(xué)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

在MSL方案中，光波導(dǎo)投影模組作為顯示面板的背光，優(yōu)勢(shì)是：可輸出不同角度、且準(zhǔn)直的光束，也意味著可以更靠近顯示屏和調(diào)節(jié)透鏡，結(jié)構(gòu)更緊湊。

此外，還添加了一個(gè)調(diào)節(jié)透鏡，可將透過(guò)Pancake透鏡的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，以更好的在子瞳孔位置對(duì)焦。盡管成像結(jié)果不完美，但子瞳孔和對(duì)應(yīng)光源之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系足夠穩(wěn)定，每個(gè)光波導(dǎo)投影模組都可以在出瞳位置形成相當(dāng)對(duì)焦的圖像，而這些圖像則組成了子瞳孔陣列。

Panamorph表示：MSL技術(shù)可兼容不同類型的放大透鏡和光學(xué)顯示系統(tǒng)，但我們的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是將它與Pancake（反射折射）透鏡、光波導(dǎo)、投影模組和LED光源陣列結(jié)合，并不涉及眼球追蹤算法和方案。

因此采用該設(shè)計(jì)后，還需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題，比如：如何更好的定位用戶瞳孔，如何將子瞳孔與眼球位置關(guān)聯(lián)，如何根據(jù)眼球追蹤來(lái)調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)最佳的視覺(jué)體驗(yàn)，以及如何保證出瞳圖像的亮度看起來(lái)足夠均勻。該公司還指出，如果用戶瞳孔沒(méi)有和光束對(duì)齊，則可能導(dǎo)致圖像消失，如果向瞳孔轉(zhuǎn)動(dòng)的方向移動(dòng)頭部，圖像應(yīng)該會(huì)重新出現(xiàn)。后續(xù)，或許可以讓投影單元根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光方向，來(lái)解決這一問(wèn)題。參考：Panamorph