功耗降低99%，Panamorph超清VR光学架构解析

确实是个孩子谥 · 发表于 2023-3-11 13:23:57

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。

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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。

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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。

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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。

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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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