近期，投影儀變形鏡頭廠商Panamorph獲得新型VR顯示技術專利（US11493773B2），該專利方案採用了緊湊的結構，結合了Pancake透鏡和光波導顯示模組，宣稱比傳統VR方案的功耗、發熱減少99%以上，可顯著提高視場角和圖像質量。據悉，Panamorph似乎也將向第三方AR/VR公司出售這項技術，或聯合研發該技術，推動最終的產品集成。
據了解，Panamorph成立於2007年，此前業務主要是為索尼、JVC、Digital Projection、愛普生、明基等品牌提供4K投影儀的變形透鏡，同時也不斷在探索AR/VR等智能穿戴設備的顯示和圖像處理技術。去年，該公司曾出售兩項AR/VR顯示技術，一個是瞳孔顯示調節架構，另外一個則是動態注視點渲染系統。
在去年底，發布了AR/VR顯示方案的白皮書，詳細解釋了其研發的超薄VR透鏡和光波導顯示模組。
方案原理
據悉，Panamorph設計了一種輕薄的VR眼鏡，特點是採用基於眼球追蹤的動態調光技術（MSL，全稱Modulated Subpupil Lighting），可提升圖像清晰度和對比度。
Panamorph的設計由兩個協同的成像系統組成，一個是Pancake透鏡（或其他的透鏡方案），另一個是可調光成像系統。該成像系統包含一個光源陣列，還有一個形成光圈的顯示面板，光源透過顯示面板成像，然後通過透鏡在人眼出瞳位置形成實像。因此，每個光源對應著出瞳範圍的一小部分（子瞳孔）。也就是說，子瞳孔僅在瞳孔中心位置顯示，超出的部分會被關閉（也就是關閉對應的光源），而這將依賴於動態的注視點追蹤技術。
經驗證，不管用戶瞳孔位置如何變化，MSL模組輸出的光幾乎都可以在人眼視覺中心自然匯聚。而且，瞳孔位置移動的同時，顯示模組也會關閉和開啟對應的光源，以形成最合適的子瞳孔圖像。
設計初衷
該公司指出，傳統近眼顯示方案普遍存在許多難題，比如由於顯示模組發光面積比人眼瞳孔更大，其發出的大部分光並沒有進入視網膜，這不僅費電，還造成光線散射，從而降低圖像對比度。此外，光線經過透鏡和人眼晶狀體時，會產生光學像差，進而降低清晰度，而且人眼晶體對焦的位置如果和AR/VR成像的焦距不匹配，還容易導致VAC等問題。
因此Panamorph認為，如果將顯示屏上99%非必要光線關閉，並將光線聚焦在人眼瞳孔中心，便有望降低功耗，還能通過麥克斯韋光學原理來減少光學像差，同時增加景深。
不過，MSL方案在技術上面臨幾大挑戰，比如縮小子瞳孔尺寸，以及實現緊湊的硬體結構。按照麥克斯韋原理，在出瞳位置形成聚焦良好的子瞳孔，子瞳孔越小（尤其是小於人眼瞳孔），圖像質量就越好，景深也越大。而硬體結構越緊湊，才更有可能在商業上可行。這也是為什麼Panamorph更傾向於選擇Pancake透鏡，原理是通過光波導投影模組照亮LCD形成虛像，接著使用調節透鏡將光線準直、聚焦，再通過Pancake進入出瞳位置。
在一個例子中（上圖），基於Pancake透鏡的MSL方案在2.5米處顯示虛像，視場角可達77°（水平）x47°（垂直），出瞳直徑為20毫米，適眼距為16毫米。為了減少瞳孔游移，Panamorph將這些光學組件進行優化，因此無論瞳孔位置如何變化，圖像都能相對穩定。不過，該優化並未考慮到所使用的照明系統（光源），主要是為了尋找最佳的Pancake透鏡設計。
光學設計細節
在MSL方案中，光波導投影模組作為顯示面板的背光，優勢是：可輸出不同角度、且準直的光束，也意味著可以更靠近顯示屏和調節透鏡，結構更緊湊。
此外，還添加了一個調節透鏡，可將透過Pancake透鏡的光線進行準直，以更好的在子瞳孔位置對焦。儘管成像結果不完美，但子瞳孔和對應光源之間的對應關係足夠穩定，每個光波導投影模組都可以在出瞳位置形成相當對焦的圖像，而這些圖像則組成了子瞳孔陣列。
Panamorph表示：MSL技術可兼容不同類型的放大透鏡和光學顯示系統，但我們的設計重點是將它與Pancake（反射折射）透鏡、光波導、投影模組和LED光源陣列結合，並不涉及眼球追蹤算法和方案。
因此採用該設計後，還需要考慮以下幾個問題，比如：如何更好的定位用戶瞳孔，如何將子瞳孔與眼球位置關聯，如何根據眼球追蹤來調節光源強度，從而實現最佳的視覺體驗，以及如何保證出瞳圖像的亮度看起來足夠均勻。該公司還指出，如果用戶瞳孔沒有和光束對齊，則可能導致圖像消失，如果向瞳孔轉動的方向移動頭部，圖像應該會重新出現。後續，或許可以讓投影單元根據眼球運動來調節發光方向，來解決這一問題。參考：Panamorph
