《Optics & Laser Technology》：Far field autostereoscopic virtual reality display with retinal angular resolution
编辑推荐：
提出了一种基于方向背光架构的远场自立体视虚拟现实显示技术，通过同轴反射光学系统实现2105×1561mm大尺寸虚拟屏在5米距离的视网膜级显示（0.53角分/像素），兼容2D/3D模式且空间分辨率恒定。集成高精度眼动追踪技术，在240×200mm眼盒内提供流畅无频闪的3D视觉体验，有效缓解视觉疲劳，适用于长时间专业工作及视力健康管理场景。
作者：何勇 | 林金燕 | 李坤阳 | 邓东燕 | 王家辉 | 刘一坤 | 黄永生 | 周建英
深圳中山大学（深圳校区）理学院，中国深圳 518107
摘要
自立体显示技术因其在视觉健康和消费应用方面的潜在优势而受到越来越多的关注。本文提出了一种基于定向背光架构的远场自立体虚拟现实显示技术。该技术采用同轴反射光学系统来放大自立体图像，同时确保左右眼视差图像之间的串扰较低且几何失真最小。所提出的显示系统能够在5米的观看距离下实现2105毫米×1561毫米的虚拟图像显示屏。得益于这种时分复用的定向背光自立体显示技术，实现了2D和3D显示模式之间的兼容性，并保持了恒定的空间分辨率。通过光学仿真和原型实验验证，该系统能够达到大约0.53角分的像素角分辨率，从而实现视网膜级别的显示性能。在3D模式下，双眼分离稳定，同时在2D和3D模式下都能获得高图像保真度。通过将超高密度视点生成技术与高精度眼动追踪技术相结合，该系统在240毫米×200毫米的视场范围内提供了流畅且无闪烁的3D视觉体验，从而确保长时间观看时的视觉舒适性。
引言
近年来，虚拟现实（VR）技术受到了广泛关注，并取得了快速发展，已成为沉浸式体验的基石[1]、[2]。传统的VR显示系统主要依赖于近眼显示技术[3]、[4]、[5]、[6]，这些技术将高分辨率图像放大并直接投射在用户眼前。然而，这些方法常常导致视觉疲劳、调节冲突（VAC）以及视野受限，限制了它们在长时间使用场景中的应用[7]。为了解决这些问题，远场显示技术提供了一个有前景的替代方案[8]。通过使用传统的显示设备和曲面镜系统，远场显示器在远处的视平面上形成虚拟图像。这种配置可以放松睫状肌[9]、[10]，显著减少视觉疲劳，并模拟出类似于观看大屏幕的自然观看体验[11]，从而无需笨重的头戴设备。典型的应用包括航空和汽车系统中的增强现实平视显示器（AR-HUDs）[12]、[13]、[14]，其中虚拟信息被投射到挡风玻璃上，以提高视觉舒适度和真实感[10]。
尽管有这些优势，传统的远场系统通常仅限于平面（2D）图像投影[15]。单个显示通道无法为左右眼提供独立的视差线索，导致缺乏立体深度。为了解决这个问题，人们探索了各种先进的3D显示技术。例如，全息技术的最新进展集中在小型化和缩放功能上，以提高3D投影的灵活性[16]、[17]。同样，结合眼动追踪的光场显示器也被提出用于将渲染的视图映射到虚拟视场中。然而，这些方法通常需要大量的计算资源，并且在空间分辨率和视点密度之间存在权衡[18]、[19]、[20]。另一种方法是基于瞳孔复制波导的紧凑型HUD，可以提供双眼视差，但由于衍射效率的限制，实现全彩色、高分辨率的立体成像仍然是一个重大挑战[21]、[22]。
为了在“无疲劳的远场观看”和“高保真度3D沉浸”之间架起桥梁，本文提出了一种专为专业桌面工作站和视觉健康管理设计的定向背光、裸眼、远场3D虚拟图像显示系统。值得注意的是，最近的一项随机临床试验表明，裸眼3D视觉训练（NVT）可以通过控制眼球轴长延长来有效延缓儿童近视的发展[23]。通过将自立体技术[24]、[25]、[26]、[27]集成到反射式远场架构中，所提出的系统能够在远距离平面上投射高分辨率的立体虚拟图像，解决了传统远场显示器中缺失的深度问题，同时消除了与近眼设备相关的视觉疲劳。
本文的核心贡献在于建立了一种新的调制架构和设计原则，用于时分复用的远场观看：与传统集成方式不同，我们使用了一种去除了彩色滤光片的定制单色液晶面板，从而实现了千万个子像素的控制自由度，使得视点转向平滑无级。这一概念通过光学仿真和物理原型得到了严格验证，证明了其作为长时间专业和医疗应用中无疲劳、视网膜级别3D显示解决方案的潜力。
结构与原理
图1展示了配备眼动追踪摄像头的远场自立体虚拟现实显示系统的示意图。摄像头捕捉眼位信息并进行连续跟踪。观察者位于系统前方，眼动追踪模块检测到的眼位用于指导定向照明。自立体图像生成单元产生定向光束，这些光束精确地投射到双眼瞳孔上
设计与仿真结果
为了评估光学系统的串扰水平和视点容忍度，基于先前计算的数据建立了一个基于LightTools的光线追踪系统。该系统包括一个定向光源、显示面板、曲面镜分光器和一个装有光度接收器的视场。
光学效率与环境光抑制
在原型系统中，使用了一个分光器（T50%，R50%），这可能会使外部环境光照射到曲面镜上，从而降低图像显示质量。为了抑制虚拟图像形成过程中的环境光干扰，在光路中引入了一个透射率为30%的中性密度衰减器，如图13(a)所示。在理想条件下（忽略材料吸收和散射），大约7.5%的环境光被抑制
结论
总之，我们开发了一种专为专业桌面工作站和视觉健康管理设计的定向背光、裸眼、远场3D虚拟图像显示系统。通过将自立体技术与大口径反射架构相结合，该系统在5米的观看距离下生成了2105毫米×1561毫米的虚拟屏幕，实现了视网膜级别的角分辨率（约0.53角分/像素）。仿真和实验结果证明了
作者贡献声明
何勇：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、调查分析、概念构思。
林金燕：撰写——原始草稿、软件开发、数据管理。
李坤阳：可视化处理、调查分析。
邓东燕：软件开发、数据管理。
王家辉：撰写——审稿与编辑、验证工作、监督指导。
刘一坤：撰写——审稿与编辑、监督指导、概念构思。
黄永生：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。
周建英：撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作部分得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFA1607204）、广东省先进粒子检测技术重点实验室（项目编号：74140-71020002/74140-71020005）、广东省先进粒子检测技术重点实验室（项目编号：2024B1212010005）以及教育部和广东省光电设备与系统重点实验室（项目编号：GD202502）的支持。
