新型3D显示技术可消除虚拟现实中的眼睛疲劳

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上图所示是一种新的显示器装置，可使用光学映射创建三维图像。OLED屏幕分为四个子面板，每个面板创建一个二维的画面。空间复用单元（SMU）将调整这些图像在视轴上有不同的深度。通过目镜，每个图像就会看起来在不同的深度。图片来源：Liang Gao，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校。

虚拟现实（VR）设备是一个十分令人兴奋的新技术，它展示了一个计算机模拟的世界和增强的现实（AR），它将计算机生成的元素与现实世界叠加起来。虽然AR和VR设备已经开始进入市场，但它们仍然是一个非常新奇的东西，因为眼睛疲劳使得长时期使用起来会让人不舒服。一种新型的3D显示器可以极大地改善这些穿戴设备的视觉舒适性，从而解决这个长期存在的问题。

“我们打算利用我们的3D显示技术取代目前所使用的AR和VR光学显示模块，从而消除眼睛疲劳的问题，” Liang Gao说，他来自伊利诺伊大学厄本那-香槟分校。“我们的方法或可实现新一代的3D显示器，可以集成到任何类型的AR眼镜或VR耳机中。”

Gao和Wei Cui在光学学会（OSA）的《光学快报》杂志上发表了这一关于新的光学测绘三维显示技术的论文。新的显示模块只测量了1×2英寸，通过产生与我们在现实世界中看到的深度相同的线索，提高了观看的舒适度。

克服眼睛疲劳

今天的VR头戴装置和AR眼镜提供了两种2D图像的方式，为观众的大脑显示了一个三维场景的印象图像。这种立体显示的原理是众所周知的辐辏调节冲突，然而随着时间的推移，这种技术使得融合图像很难对观众视线从而造成观众的不适和眼疲劳。

新的显示器使用了一种称为光学映射的方法来显示真实的3D图像。这是通过将数字显示划分到为每个子面板上创建一个2D图像。子面板的图像被转移到不同的深度，所有图像的中心是彼此对齐。这使得当用户通过目镜观看时，每个图像的深度似乎不同。研究人员还发明了一种混合图像的算法，使深度连续显示，形成统一的3D图像。

对于新系统的关键部件是一个空间复用单元轴向位移子面板图像到指定深度，横向移动的子面板的图像到中心视轴上。在目前的设置中，空间多路复用单元由空间光调制器构成，空间光调制器可根据研究人员开发的特定算法对光进行修改。

这种方法适用于任何现代显示技术，研究人员使用了有机发光二极管（OLED）显示器，这是最新的显示技术之一，可用于商业电视和移动设备。从现有的OLED显示屏保证每个子面板包含足够的像素来创建一个清晰的图像且具有非常高的分辨率。

已经尝试了类似于我们的方法来创建多个平面深度，但与同时创建多个深度图像不同的是，他们让图像变换的非常快，”Gao说。“然而，这种方法需要在动态范围或对比度上进行权衡，因为每个图像显示的时间非常短。

创建深度线索

研究人员通过使用这个装置来显示一个停放汽车的复杂场景，并在目镜前放一个摄像头记录人眼的视力。他们发现照相机可以聚焦在远处的汽车上，而前景却没有聚焦。同样，当背景看起来模糊时，相机可以集中在靠近的汽车上。这项测试证实了新的显示器产生了能产生深度知觉的线索，就像人类感知场景的深度一样。这个演示是黑白的，但是研究人员说这种技术也可以用来制作彩色图像，尽管横向分辨率降低了。

研究人员现在正致力于进一步降低系统的体积、重量和功耗。“在未来，我们希望用另一个光学元件代替空间光调制器，比如体积全息光栅，”Gao说。“除了体积更小，这些光栅不积极消耗功率，这将使我们的设备更紧凑，增加了它的VR头戴设备或AR眼镜的适用性。”

虽然研究人员目前没有任何商业合作伙伴，但他们正在与公司讨论，看看新的显示器是否可以整合到未来的AR和VR产品中。

文章来源：https://phys.org/news/2017-06-d-eye-fatigue-virtual-reality.html

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