探讨液晶（LC）技术在XR近眼显示系统中的应用。详述了如何通过控制光的偏振和波前来开发可变焦液晶透镜，这些透镜对改善XR应用中的用户体验具有潜在价值。还讨论了生产液晶透镜的挑战，特别是在优化透镜厚度和性能方面。
液晶 可变焦液晶透镜 光学成像 XR近眼显示系统 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211014
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
Virtual reality (VR) and augmented reality (AR) are revolutionizing our lives. Near-eye displays are crucial technologies for VR and AR. Despite the rapid advances in near-eye display technologies, there are still challenges such as large field of view, high resolution, high image quality, natural free 3D effect, and compact form factor. Great efforts have been devoted to striking a balance between visual performance and device compactness. While traditional optics are nearing their limitations in addressing these challenges, ultra-thin metasurface optics, with their high light-modulating capabilities, may present a promising solution. In this review, we first introduce VR and AR near-eye displays, and then briefly explain the working principles of light-modulating metasurfaces, review recent developments in metasurface devices geared toward near-eye display applications, delved into several advanced natural 3D near-eye display technologies based on metasurfaces, and finally discuss about the remaining challenges and future perspectives associated with metasurfaces for near-eye display applications.
metasurface near-eye display virtual reality augmented reality 3D display Opto-Electronic Science
2023, 2(8): 230025
1 深圳大学物理与光电工程学院，广东 深圳 518060
2 福州大学物理与信息工程学院平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州 350108
3 南阳利达光电有限公司，河南 南阳 473003
近眼显示光学系统是增强现实（AR）技术的核心基础，是接收虚拟画面信息和融合现实环境进行显示的直接载体。辐辏调节是人眼生理机能的辐辏距离和晶状体聚焦调节距离相匹配的基本生理反应。当前AR近眼显示方案仅提供具有左、右眼视差片源形成的3D显示效果，相对于正常环境的目视观察有极大差距，造成人眼辐辏调节冲突（VAC）。缓解或消除VAC是AR近眼显示系统发展和普及的必由之路，其主要解决方案包括：部分深度信息的光学显示系统，如两焦面或多焦面近眼显示光学方案；完整深度信息的光学方案，如集成成像光场显示技术和计算全息波前重建的近眼显示方案；无深度信息的光学显示方案，如基于Maxwellian显示技术的近眼显示光学系统。本文综述了当前技术发展过程中缓解或消除VAC的近眼显示光学方案，分析了各技术的特点、实现方式，以及优缺点，最后总结了当前AR近眼显示中解决VAC问题面临的挑战，并对未来技术和显示方案的发展前景进行了展望。
近眼显示 增强现实 辐辏调节冲突 增强现实 深度信息 光学学报
2023, 43(23): 2300001
1 南京工程学院 计算机工程学院，江苏 南京 211167
2 东南大学 信息显示与可视化国际联合实验室，电子科学与工程学院，江苏 南京 210096
随着元宇宙产业的发展，光场显示技术因其可以将数字世界与物理世界完美融合，已经成为信息显示技术领域的研究热点，并呈现出视点数量更多、视点密度更大、渲染速度更快的发展趋势。然而，现有的光场显示技术面临着分辨率低、深度受限、视疲劳等多种挑战。本文从人眼立体视觉感知原理出发，对现有的双视点、多视点和超多视点光场显示技术的成像原理和典型方案进行整理和总结。同时，对现有基于单信源和多信源虚拟视点生成技术进行归纳对比，着重分析各项技术在虚拟视点生成质量和渲染速度等方面的可行性和实现效率，并对光场显示技术的未来发展方向进行了展望。
近眼显示 光场显示 虚拟视点 神经网络 near-eye display light field display virtual viewpoint neural network
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案，能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理，说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势，并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度，提出将非球面转化为环形拼接非球面，并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题，引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头，在像质平衡优化后，全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势，并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程，原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。
光学设计 虚拟现实 近眼显示 拼接非球面 超短焦偏振折反射镜头 光学学报
2023, 43(15): 1522001
1 福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州 350108
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建 福州 350108）
增强现实（AR）近眼显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一，它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示，在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR 近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求，眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列，通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控，同时具有体积小、效率高、结构紧凑等特点，在近眼显示应用中具有很大潜力。文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构，该超表面单元引入了突变相位，通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度，使出射光效率最高达到77%，并实现20°视场角，为AR光波导结构设计提供一种可行方案，有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。
近眼显示 光波导 超表面 传输相位 增强现实 光束偏转 near-eye display optical waveguide metasurface transmission phase augmented reality beam deflection 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230342
1 福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州 350108
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建 福州 350108
随着微米级像素尺寸的微型自发光二极管（Micro-LED，μLED）的出现和发展，采用μLED作为光源和像源的超微型投影光学引擎成为了可能，其极大简化了传统投影显示光学引擎的结构。本文提出了一种基于μLED的超微型投影光学引擎，基于现有3.302 mm（0.13 in）的μLED显示芯片设计了高像质的微型投影镜头。针对μLED的光分布特性，优化μLED发散角度与微投影镜头的光瞳匹配，有效提升了μLED微投影光学系统的光能利用率。结果表明，所设计的μLED微投影显示光学引擎体积仅有18.35 mm3，投影镜头中心视场的MTF值在截止频率处超过0.57。该μLED微投影显示光学引擎较好地实现了系统体积与成像像质的均衡，未来在AR/VR等近眼显示设备上具有广泛的应用前景。
Micro-LED 近眼显示 微投影显示 光学设计 系统效率 Micro-LED near-eye display pico-projection display optical design system efficiency
1 杭州海康威视数字技术股份有限公司海康威视研究院，浙江 杭州 310051
2 浙江大学计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310058
全息近眼显示系统受到空间光调制器（SLM）空间带宽积的限制，光学扩展量一般较小，在保持适当视场（FOV）时容易出现眼盒较小的情况，使得用户观察到的图像容易出现缺失。基于二维表面浮雕光栅（SRG）和光波导的扩瞳作用，在适当FOV下，实现了眼盒的二维连续扩展。基于随机梯度下降算法，利用计算全息显示系统生成目标图像，利用目镜将之准直，再利用耦入光栅将其耦合进光波导内。利用光线在光波导内传播时遇到耦出光栅后部分光会被耦合出射、部分光继续传播的特性，系统在两个维度上对光束宽度进行了拓展，实现了扩展的眼盒。该系统与RGB彩色激光照明和SLM时分复用结合时可以实现彩色显示。实验证实，该方案实现了在38.6° FOV和20 mm的出瞳距下，大小为8 mm×6 mm的扩展眼盒，可有效解决用户观察到的图像易缺失的问题。
全息 计算全息 近眼显示 光波导 扩展眼盒 光瞳扩展
