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圖1為傳統(tǒng) RPD 的基本原理圖。在圖1（a）中，點(diǎn)光源經(jīng)透鏡準(zhǔn)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(diǎn)，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(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mec hanical System, MEMS）掃描鏡對(duì)激光束做二維方向的掃描偏轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)激光束的強(qiáng)度進(jìn)行同步調(diào)制，加載圖像信息，實(shí)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜投影顯示。LBS 方式利用激光的高準(zhǔn)直性實(shí)現(xiàn)小出瞳孔徑，與圖1（a）中的被動(dòng)式光機(jī)相比，是一種主動(dòng)式的顯示方法。

由于光線被匯聚至一點(diǎn)，過小的出瞳（eyebox）尺寸使得人眼瞳孔必須正好位于光點(diǎn)上時(shí)才能接收到圖像，而微小的偏移將導(dǎo)致圖像消失。因此出瞳拓展是 RPD 所要解決的關(guān)鍵問題。圍繞該問題，國內(nèi)外學(xué)者給出了形式多樣的解決方案，主要分為幾何光學(xué)與衍射光學(xué)兩大類。

基于幾何光學(xué)的 RPD 通過透鏡等幾何光學(xué)元件，將光束匯聚到人眼瞳孔中，基于幾何光學(xué)的 RPD 的出瞳拓展方法可分為視點(diǎn)復(fù)制和視點(diǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)向鏡；（c）LED 陣列

圖源：液晶與顯示, 2022, 37(5): 641. Fig.2

視點(diǎn)復(fù)制通過產(chǎn)生多個(gè)視點(diǎn)，以覆蓋較大的眼動(dòng)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(gè)視點(diǎn)陣列來拓展出瞳。這種視點(diǎn)復(fù)制方法簡單有效，但需要格外注意視點(diǎn)間距與瞳孔直徑之間的匹配。如圖3所示，視點(diǎn)間距小于瞳孔直徑時(shí)會(huì)導(dǎo)致視點(diǎn)間串?dāng)_，視點(diǎn)間距大于瞳孔直徑時(shí)會(huì)導(dǎo)致圖像丟失。由于人眼瞳孔直徑隨環(huán)境光強(qiáng)的變化而改變，視點(diǎn)間距的設(shè)計(jì)也面臨挑戰(zhàn)。此外，視點(diǎn)復(fù)制得越多，每一視點(diǎn)圖像亮度也隨之降低。

圖3：（a）視點(diǎn)間距過小導(dǎo)致串?dāng)_；（b）視點(diǎn)間距過大導(dǎo)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(diǎn)轉(zhuǎn)向方法會(huì)根據(jù)瞳孔的位置動(dòng)態(tài)地改變視點(diǎn)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(shí)現(xiàn)視點(diǎn)轉(zhuǎn)向的方法，根據(jù)