微软AR/VR专利提出多焦平面组合双折射材料和反射波导
针对视觉辐辏调节冲突
（映维网Nweon 2023年05月10日）困扰现代VR/AR头显的一个重大挑战是视觉辐辏调节冲突。在现实世界中，人眼可以自然地对焦一个对象，而世界的其他元素则脱离焦点。VR/AR的问题是，无论你在数字世界中看向何方，你都只是盯着固定的屏幕，亦即看着相同的距离。
换句话说，视觉调节（弯曲眼睛晶状体以聚焦不同距离的对象）永远不会改变，但视觉辐辏（眼睛向内旋转以将每只眼睛的视图重叠成一个对齐图像）却会出现，从而导致视觉辐辏调节冲突。
视觉辐辏调节冲突容易造成用户产生眼睛疲劳，恶心，头晕等问题。针对这种情况，行业厂商纷纷尝试的一个方向是能够相应地改变焦距或提供不同焦平面的解决方案。
在名为“Combined birefringent material and reflective waveguide for multiple focal planes in a mixed-reality head-mounted display device”专利申请中，微软就提出了用于多焦平面的组合双折射材料和反射波导。
具体来说，FLC调制器控制来自入射到双折射透镜的虚拟图像源的光的偏振状态。取决于入射光的偏振状态，双折射透镜具有两个正交折射率。如果FLC调制器使偏振轴旋转以匹配普通轴，到达双折射透镜的入射光将聚焦在与普通折射率相对应的距离处。如果轴旋转以匹配非寻常轴，入射光将聚焦在与非寻常折射率相对应的不同距离处。
FLC调制器可操作地与虚拟图像源同步，以动态切换偏振状态和虚拟图像的相应聚焦状态。FLC调制器的时间响应使得能够快速切换状态，以构建具有适当聚焦提示的时间复用混合现实场景，从而为用户提供舒适的视觉体验。
当显示混合现实场景中的远虚像时，FLC调制器切换以使双折射透镜将虚像聚焦在远焦平面。当显示近虚像时，FLC调制器切换以使双折射透镜将虚像聚焦在近焦平面。
微软指出，有利的是，利用FLC调制器、双折射透镜和反射波导，能够在进入波导之前调整虚像的焦深，而不会干扰头显设备用户通过波导感知的真实世界视图。另外，这种组合可以消除使用传统共轭透镜对的需要。
图7示出了混合现实显示系统700的侧视图，所述设备使用焦平面控制器715选择性地控制铁电液晶FLC调制器705和包括双折射材料的透镜710，以使得能够使用发散光线740渲染虚像。
虚像可以在焦距Fe和Fo处呈现给用户115，所述焦距分别限定了在光学组合器750中距透明波导745距离d1和d2处的两个不同焦平面。波导和/或光学组合器可以包括反射元件。
虚拟图像源720提供虚拟图像光725，其可以包括诸如RGB颜色模型的颜色模型的多个component。根据光源的特性，可以选择性地使用准直透镜730。如图所示，线性偏振滤光器735设置在准直透镜和FLC调制器之间的虚像光的传播路径上。焦平面控制器715可操作地耦合到虚拟图像源720和FLC调制器705。
图8示出了线偏振光通过FLC调制器705和双折射透镜710的传播，以将光聚焦在不同的焦平面上。透镜具有两个焦距Fo和Fe，这两个焦距对应于双折射材料的普通和非寻常折射率no和ne，如参考数字805和810所示。
双折射透镜可以包括任何合适的透明且可成形的双折射材料。在图8中，双折射透镜没有以任何特定的形状示出，但可以理解的是，其一个或多个主表面可以成形为提供对焦距的额外控制，从而满足特定的要求。
来自虚拟图像源720的非偏振光穿过线性偏振滤光器735并入射在FLC调制器705上。线性偏振滤光片与双折射透镜的普通轴或非寻常轴对准。
FLC调制器配置为用作具有二进制状态的可切换半波片。FLC调制器具有快轴815和慢轴820。快轴为具有最大相速度的线性偏振波的一种偏振状态提供最小折射率。
当波旋转90度并沿慢轴偏振时，它将以最大折射率和最小相速度传播。FLC调制器的取向与线性偏振滤波器的轴成0度或45度，这取决于其开关状态。
在替代实施方式中，不使用FLC调制器，而是可以通过适当配置的光弹性调制器（PEM）、采用例如Pockels效应的线性电光调制器、采用Kerr效应的二次电光调制器、压电材料或其他合适的装置或技术。
如果FLC调制器705处于第一状态，则虚像光在传播到双折射透镜710时保持0度偏振，从而与普通轴对准并聚焦在焦距Fo处。
如果FLC调制处于第二状态，则出射光的偏振平面旋转90度，并与双折射透镜的非常轴对准，从而聚焦在焦距Fe处。
因此，通过在FLC调制器状态之间切换，可以选择双折射透镜的两个不同折射率之一，从而为透镜选择两个不同焦度之一。
再次参考图7，虚拟图像源720对虚拟图像的呈现可以与使用焦平面控制器715的FLC调制器705的操作同步。同步使得能够构建具有正确聚焦提示的时间复用场景，从而令场景中的焦距呈现为双折射透镜710处于正确状态。
因此，当在虚拟图像源720处构成混合现实场景的更远的部分时，焦平面控制器向FLC调制器发送信号，以将双折射透镜切换到其更长的焦距，使得用户的眼睛必须适应得更远以产生清晰的视网膜图像。
当合成混合现实场景的较近部分时，焦平面控制器向FLC调制器发出信号，将双折射透镜切换到其较短的局部长度，使得用户的眼睛必须适应较近的距离，以创建清晰的图像。可以理解，混合现实场景的给定构图中的每个焦点状态将在虚拟图像源的每隔一帧中显示。
图9示出了示例性混合现实场景900的视场905，其中虚拟图像源显示场景的更远部分。作为响应，FLC调制器将双折射透镜切换到Fe焦距。因此，混合现实显示系统创建了用户的眼睛在自然观看三维场景时通常遇到的光场的数字近似。不需要知道用户115的眼睛聚焦在哪里来创建适当的聚焦提示。
如果用户适应d2处的远距离以观看虚拟世界对象910，则所显示场景的远部分处于清晰的焦点，而包括虚拟世界对象915在内的近部分被模糊。
图10示出了示例性混合现实场景1000的视场1005，其中用户适应d1处的近距离，以清晰聚焦地观看虚拟世界对象915，同时包括虚拟世界对象910在内的远部分被模糊。因此，混合现实显示系统再现正确的焦点提示，包括模糊和双眼视差，从而刺激自然调节，以使眼睛收敛到适当的焦距，从而创建清晰的视网膜图像。
可以基于应用来选择距离d1和d2的值。在典型的头显应用中，可以寻求在2米（-0.5屈光度）内显示虚拟图像，以最小化视觉辐辏调节冲突VAC。由于人类视觉的景深大约为+/-0.3屈光度，焦平面之间的半屈光度距离可以与足够的聚焦提示一起使用，以使用户能够在焦平面之间平滑地转移焦点。
因此，例如，近距离可以在1m左右，远距离可以在2m左右。
图11示出了示例性的混合现实显示系统1100，其中利用N组FLC调制器和双折射透镜来提供2N个不同的虚像焦平面。
在所述示例中，N＝2，因此包括FLC调制器1110和双折射透镜1115的第一组1105与第二组1120串联放置。如图所示，调制器和透镜组的串联布置沿着从虚像源720通过准直透镜730和线性偏振滤波器735延伸到光学组合器750中的透视波导745的虚像光路布置。
FLC调制器和双折射透镜的两组1105和1120组合工作，以在距波导745的相应距离d1、d2、d3和d4处提供四个不同的焦距F1、F2、F3和F4。
由焦距定义的焦平面之间的空间间隔可以根据应用而变化。例如，F1和F4可以被1.5屈光度分开，其中d1、d2、d3和d4分别为50cm、1m、1.5m和2m。
图12示出了包括眼动追踪器1205、焦平面控制器715和处理器1210的头显设备组件。如上所述，焦平面控制器可操作地耦合到虚拟图像源720和FLC调制器705，以使用双折射透镜710提供多个不同的焦距，从而在混合现实场景中在光学组合器750上呈现不同距离的虚拟图像。所述部件可以设置在头显的框架（未示出）或其他合适的结构中。
眼动追踪器1205可操作地耦合到一个或多个照明源1215和一个或更多个传感器1220。例如，照明源可以包括IR（红外）LED。眼动追踪器照明源可以用作闪烁源和/或提供用户眼睛特征的一般或结构化照明。
眼动追踪器传感器可以包括具有例如对IR光的灵敏度朝内摄像头。可以利用基于图像和/或基于特征的眼动追踪或其他合适的眼动追踪技术来满足本原理的实现的要求。
在说明性示例中，来自照明源1215的IR光引起高度可见的反射，并且眼动追踪传感器1220捕获显示反射的眼睛图像。传感器捕获的图像用于识别光源在角膜上（即“闪烁”）和瞳孔中的反射。通常，可以使用实时图像分析来计算由角膜和瞳孔反射之间的角度形成的矢量，然后使用与反射的其他几何特征相结合的矢量方向来确定用户正在看注视点的位置，并计算眼睛的移动、位置和方向。
眼动追踪可用于初始校准用户眼睛相对于头显的位置，并有助于在设备使用期间维持校准状态。眼动追踪器1205可以动态地追踪眼睛相对于头显的位置。
例如，如果设备在用户的头上移动，则所述位置可以改变。用户的眼睛与显示系统的适当连续对准可以确保在不同焦平面中的虚拟图像以适当的聚焦提示被正确渲染。其中，适当的聚焦线索包括精确的双眼视差以及真实和虚拟对象的遮挡。
名为“Combined birefringent material and reflective waveguide for multiple focal planes in a mixed-reality head-mounted display device”的微软专利申请最初在2021年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
