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圖1為傳統(tǒng) RPD 的基本原理圖。在圖1(a)中,點光源經(jīng)透鏡準直后,平行照射空間光調(diào)制器(Spatial light modulator,SLM)加載數(shù)字圖像信息,經(jīng)目鏡在人眼瞳孔處匯聚成光點,直接投射到人眼視網(wǎng)膜上成像,而不受人眼調(diào)焦的影響。平行光源在瞳孔處的成像產(chǎn)生了小于瞳孔直徑的出瞳孔徑,大幅增加了近眼顯示系統(tǒng)的景深。
圖1(b)是另一種采用 LBS(Laser beam scanning, LBS)方式的 RPD 顯示原理。微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mec hanical System, MEMS)掃描鏡對激光束做二維方向的掃描偏轉(zhuǎn),同時對激光束的強度進行同步調(diào)制,加載圖像信息,實現(xiàn)激光束掃描投影。再通過目鏡在人眼瞳孔處匯聚成光點,實現(xiàn)視網(wǎng)膜投影顯示。LBS 方式利用激光的高準直性實現(xiàn)小出瞳孔徑,與圖1(a)中的被動式光機相比,是一種主動式的顯示方法。
由于光線被匯聚至一點,過小的出瞳(eyebox)尺寸使得人眼瞳孔必須正好位于光點上時才能接收到圖像,而微小的偏移將導致圖像消失。因此出瞳拓展是 RPD 所要解決的關鍵問題。圍繞該問題,國內(nèi)外學者給出了形式多樣的解決方案,主要分為幾何光學與衍射光學兩大類。
基于幾何光學的 RPD 通過透鏡等幾何光學元件,將光束匯聚到人眼瞳孔中,基于幾何光學的 RPD 的出瞳拓展方法可分為視點復制和視點轉(zhuǎn)向兩類。
圖2:視網(wǎng)膜投影出瞳拓展;(a)分光鏡陣列;(b)機械轉(zhuǎn)向鏡;(c)LED 陣列
圖源:液晶與顯示, 2022, 37(5): 641. Fig.2
視點復制通過產(chǎn)生多個視點,以覆蓋較大的眼動范圍。圖2(a)所示是分光鏡陣列方法,使光路多次透反射后形成 3×3 個視點陣列來拓展出瞳。這種視點復制方法簡單有效,但需要格外注意視點間距與瞳孔直徑之間的匹配。如圖3所示,視點間距小于瞳孔直徑時會導致視點間串擾,視點間距大于瞳孔直徑時會導致圖像丟失。由于人眼瞳孔直徑隨環(huán)境光強的變化而改變,視點間距的設計也面臨挑戰(zhàn)。此外,視點復制得越多,每一視點圖像亮度也隨之降低。
圖3:(a)視點間距過小導致串擾;(b)視點間距過大導致圖像丟失
圖源:液晶與顯示, 2022, 37(5): 641. Fig.3
相比之下,如圖2(b)所示,視點轉(zhuǎn)向方法會根據(jù)瞳孔的位置動態(tài)地改變視點的位置。圖2(c)所示是一種利用發(fā)光二極管(Light-emitting diode ,LED)光源陣列方案來實現(xiàn)視點轉(zhuǎn)向的方法,根據(jù)