让更多人看清虚拟世界:XR眼镜视力矫正方案简介

根据《世界视觉报告》,在全球范围内,至少有22亿人近视力或远视力受损。若XR眼镜在未来着眼于成为主流移动终端,那么相关企业不得不解决占据全球近1/4人口会面对的问题。

 

目前,主流的XR屈光度矫正方案分为两大类。一类是定制处方镜片。第二类是XR眼镜出厂即内置一定度数内的可调节机构。两种方案各有优劣:

下面就让我们一看究竟:

 

定制处方镜片

市面上较多产品提供额外屈光度调节镜片的定制。苹果vision pro采取的便是此方案。其同时支持对-3.25°以内散光的调节。

 

苹果官方只选择蔡司进行独家合作,原因可能在于不同材质、厚度、透过率的镜片可能会都会造成眼动追踪的准确度下降,进而影响交互体验,有时候还会虹膜ID识别失败。网上也有部分用户说,第三方近视插片可能存在画面清晰度波动,边缘画面闪烁的问题。

 

蔡司的AVP专用近视镜片售价为149美元,这个价格作为配件,价格还是相对较高的。同时需要提供专业验光单,这也增加了用户的获取成本。

 

许多AR眼镜也采用定制镜片来匹配视力。AR眼镜官配的视力矫正镜片价格一般不高于300人民币。

 

比较尴尬的是,对于追求极致轻薄无感的AR眼镜,卡扣和插入式镜片都会明显增加眼镜的重量;磁吸式镜片相对较轻,但容易在使用过程中掉落。每种方法似乎都在破坏眼镜本体好不容易平衡好的设计美学。

 

那么,有没有那么一种几乎不增加额外重量又能达到矫正度数接近完美的适配的方案呢?部分厂家通过直接生产带屈光度矫正度数的AR/VR光学元件来解决这种矛盾。

 

然而,这类技术被数量较少的公司掌握,暂时还没有大批量应用。

 

其中的代表企业Lexexcel已在2022年被meta公司收购。其解决方案是通过特殊微型滴液喷洒在镜片之上,这样可以保证在镜片光滑的同时融合进去特定的例如近视,远视等矫正需求。其工艺本身存在双折射所以无法制造pancake镜片。

Lexexcel方案

 

另一家公司Addoptics并非直接打印镜片,而是通过3D打印镜片模型,然后热硬化镜片材料填充模具以形成成品部件。据说每个模型可以运行100次。

Addoptics方案

 

Karl Guttag认为,对于VR而言,拥有内置处方的定制光学元件似乎比拥有不支持散光的定制插入件或屈光度调节要好得多。但在AR情况下,需要增加变焦功能,否则会有看清楚虚拟画面时看不清现实环境的尴尬情况。

 

内置近视调节

部分产品在眼镜本体的设计组装阶段内置了屈光度调节机构,用户无需额外购买近视镜片,降低了用户的获取成本。

 

当前市面上产品多通过旋转机械结构进行屈光度的手动调节。

不论AR眼镜还是VR眼镜、转动镜片还是转动旋钮,其原理主要都是通过改变显示模组的相对距离来实现。‌屈光度调节装置一般包含支架、‌运动调节机构及显示模组。‌调节机构设置在支架上,‌而显示模组则设置在运动调节机构上。‌通过移动调节机构的驱动,‌显示模组可以在支架上移动。通过将显示模组与调节机构连接,‌用户可以通过调整显示模组的相对距离来满足不同的视力需求。

 

这些显示设备的调节屈光度的光学原理,和我们初中学的凸透镜成像实际上类似:调节蜡烛(显示屏)和凸透镜(成像透镜)的之间距离,所成的像的大小、距离、虚实均会发生改变。

实际应用时,AR/VR显示设备的原理和结构会更加复杂,例如,其中不止一块透镜、移动的组件和方式的略微不同,都会导致屈光度调节效果的不同。

 

AR眼镜BirdBath方案为例。目前的AR眼镜,曲面反射镜与45°平板镜均固定在镜框上,位置不可移动,屈光度调节主要通过两种方案实现。其一是移动显示屏或成像透镜;其二是显示屏和成像透镜同步移动,移动过程中这两者的相对位置保持不变。

 

方案一:移动显示屏或成像透镜

成像透镜能够对光线进行聚焦(类似放大镜)。改变成像透镜与显示屏之间的相对距离会改变光线经过成像透镜后的折射角度,从而较大程度上改变被45°平板镜反射的光线区域,最终改变可视画面大小。

方案一原理图

 

如上图,显示屏移动后,显示屏上同一位置的光线进入成像透镜射出后,光线之间的夹角大幅变小,这导致被45°平板镜反射的光线区域大幅变小,最终导致成像画面的较大缩减。移动到不同的位置,对画面的缩减程度不同,这会导致不同视力的佩戴者观看到的画面尺寸差别较大。这也意味着,此方案对于双眼度数差别较大的用户会更不友好。经屈光度调节后,两个眼睛看到的画面大小差异会比较大,因此难以准确地进行双目合像,观看画面会相对模糊,从而导致长时间佩戴更容易产生眩晕不适感。

 

方案二:显示屏和成像透镜同步移动

由于显示屏和成像透镜一起移动,移动过程中,两者的相对位置保持不变,因此从成像透镜透射出的光线的夹角始终不变。

 

方案二原理图

 

同时移动显示屏和成像透镜并不会改变光线从成像透镜出射后的夹角,改变的只有光线被45°平板镜反射的位置区域,而且改变非常小,因此能保证最终的成像画面不会大幅缩减。

 

这种方案能够确保在屈光度调节范围内,即使佩戴者的双目屈光度有差异,最终观看到的画面大小也基本一致,不会造成观感体验上的差别。因此即使双目度数差异大,依旧能够比较方便、快速地进行双目合像,合像后的显示效果比较清晰,具有较好的佩戴体验。

 

由于要同时移动显示屏和成像透镜,且移动过程中需要保证两者的相对位置保持不变,这对光学设计和结构设计有更高的要求,生产成本也更高。

 

 

如何检测度数矫正后的XR眼镜

当前,大部分AR眼镜是为视力正常人群设计的,这部人群的AR眼镜使用体验效果及参数指标,已有成熟的仿生人眼镜头进行测试。在上文中,我们看到厂商们针对视力缺陷人群使用AR设备提出了诸多方案,具体使用效果如何,需要有专门的设备采集客观数据进行评价。

 

GAMMA的NED RX近眼显示检测设备可以模拟视力受损的人眼用于检测XR眼镜的视力矫正效果。其可用于模拟散光、近视和远视眼

 

NED RX 可测量see-through模式下的真实环境效果和AR模式下的虚拟图像效果。前者以真实环境为参照来测试视力矫正方案质量。后者可以投射虚拟图像用以检测视力矫正后的人眼所视效果。

 

 

其可以检测的指标包含:

 

 

小结

XR眼镜屈光度矫正应用潜在用户众多,更激进点说,不解决这个问题甚至会阻碍XR眼镜的商业化。

 

我们当然期望最完美的方案能在用户戴上XR眼镜时自动检测视力并调节到合适的度数。但在现阶段,这个设想还显得有些许魔幻。不论是附加定制镜片,内置度数调节还是自带度数的XR光学元件,每个方案都各有优劣,在当前市场还没有一个方案拥有压倒性优势。

关注我们的公众号
浙ICP备2023012658号-1