Toplite新光学设计帮助实现更加健康舒适的VR观看体验之第三篇:人眼适配

发表时间:2021-07-10 10:47作者:Randy来源:Toplite多普光电

新光学设计帮助实现健康舒适的VR观看体验

第三篇:人眼适配(瞳距和屈光度调节)


人眼瞳距和屈光度适配篇(1).jpg



前面讲到,不少消费者在首次购买VR产品的时候觉得这东西好有科技感、很新潮,然而在使用了几次之后就将其打入冷宫。造成这种结果的原因,除了内容不够丰富、视觉体验不够舒适,还有一些隐形的潜在健康风险。这些风险刚开始不容易发现,但时间长了会比较显著。举个例子,显微镜是大家众所周知的一种光学观察仪器。它将微小的物体通过光学系统放大后被人眼所识别。使用时人眼离显微镜的目镜很近,观看光学显微成像时感觉图像近在咫尺、细节历历可辨(这其实也是一种沉浸感),但是长时间使用光学显微镜是很容易引起视觉疲劳的。


图片1.png 视场角和屏幕分辨率-02.jpg


显微镜之所以会拿来和VR做类比,是因为两者确有相近之处。VR是通过光学系统将屏幕放大并投射到人眼中,在设备工作时,人眼离光学系统也很近。人们在穿戴VR产品时,眼睛的舒适度是很重要的评价。影响舒适度的因素除了之前介绍的视场角、图像清晰度、畸变外,还有VR光学成像的远近和能否适配不同人眼的生理结构(主要是瞳距和屈光不正)。

成像的远近是如何影响眼睛舒适度及导致一些健康风险的。此处引入一个概念明视距离”。人眼看太远和太近的物体时,眼球都要进行调节,即改变眼球的突起程度,但有一个距离恰能使眼睛不用调节就能看清楚,这个距离叫明视距离。也就是说眼睛看处在明视距离位置的物体感觉上是非常自然舒服的。适合正常人眼观察近处较小物体的距离,约为25cm。

在一定的视场角范围内,人的眼睛看不同距离的物体时,会根据物体的距离来调整眼球的状态(含视线方向和凸起程度)。当某物体突然出现在人面前时,初始肉眼是无法看清这个物体的,如需要清楚地分辨该物体,需要将眼球从自然状态调整到对焦状态,也就是常说的“定眼一看”。当物体由远至近缓慢地靠近人眼时,若要实时动态地看清该物体,人的双眼则会根据物体移动速度调整,视线逐渐向中间靠拢,达到双眼视线达到极限的角度(视场夹角α的极限)位置形成“斗鸡眼”。当物体离人眼的距离小于明视距离,人眼肌肉将处于一种收缩或紧绷的状态,长时间则会出现明显的视疲劳,久而久之很可能引发近视。VR产品的光学镜头其成像位置不能太近,宁远勿近,否则会对眼睛造成压迫感从而带来健康隐患。到此,显微镜之所以容易引起视疲劳的直接原因就清楚了,因为它的成像虚拟距离感觉太近了。


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人的双眼观看物体会有一个视场夹角,要看得舒服,这个夹角是有一定范围的。当眼睛没有特别关注东西的时候,双眼处于自然放空的状态下,左眼光轴和右眼光轴可看成是近乎平行的。当需要观察某物时,比如观察屏幕,两个眼球从自然状态对称地向视场的中心靠拢,以使得左眼光轴和右眼光轴都指向屏幕中心区,此时左右双眼形成视场夹角α(即左右双眼光轴的夹角),大脑会将双眼所获得的像进行重叠,从而获得一个清晰的视觉。可见夹角α与屏幕到眼睛的距离(VR中是屏幕虚像的虚拟距离)和双目瞳距有直接关系。

在一个VR产品中,有的采用一个大屏幕,通过软件将其切割成两个小屏幕,有的采用两个独立的屏幕,然后有两个光学镜头与之配套,组成VR的光学显示模组。各个小屏幕中心与对应的光学镜头中心的连线可称为VR显示模组的光轴,其间距应该与双目瞳距相匹配。在理想的情况下人眼的光轴与VR显示模组的光轴在同一条线上(此时为绝对同轴),但实际上可能做不到,这与镜头本身的精度、屏幕以及安装位置精度等因素有关,各方面精度越高就越同轴。这时大脑就会很轻松地将两个眼睛看到的像完全重叠到一起,否则,眼睛看到两个无法不重叠的像,感觉眼花缭乱。不同的人其瞳距是不同的,VR产品应当具备瞳距调节功能以满足舒适的视觉需求。因而采用两个独立屏幕的VR产品,相比较于采用一个大屏幕的VR产品,其瞳距调节后的视觉舒适度要更好。


瞳距调节视场夹角变化


眼睛的屈光不正通常表现为近视或远视。当眼睛在放松状态下,平行光线经过晶状体进入眼内聚焦在视网膜之前,导致视网膜上无法形成清晰的像,称为近视眼。反之,聚焦在视网膜后的,称为远视眼。市场上有大部分VR产品不带屈光调节功能,但却配备了一些配件以方便戴眼镜的用户。戴上眼镜再穿戴VR产品,这样的体验一定会打折扣的。为何不设计一款自带屈光度调节的VR产品呢。这是有一定技术要求的。

由于聚焦位置的不同,近视眼和远视眼的眼球焦距是不一样的,同样为近视,当双眼度数相差较大时,其眼球焦距亦有显著不同。设计一款VR产品其光学镜头能对不同用户眼睛的屈光不正程度进行调焦适配。然而,调整光学镜头的焦距意味着屏幕成像的位置也发生了变化。成像位置的变化就意味着光轴夹角α的变化。如下图所示,当双眼视力不同时,α1和α2的顶点不一定重合,即α不对称。此时为了看到重叠的清晰的像,用户的左右双眼形成视场夹角α被迫发生改变,非自然状态的和不合理的α会使得双眼将处于收缩或者紧绷状态,长时间将会产生视疲劳。


成像位置变化与光轴夹角


如果,在调焦过程中能保持眼球光轴与VR光学显示模组光轴尽可能同轴,就能获取尽可能接近自然状态的对称的双目视场夹角,这对于提升视觉体验舒适度同样是十分重要的。


近视和远视调节与光轴的对称变化_gif.gif




VR产品的舒适度是一个综合的考量,需要在多个方面取得平衡。如今,多普光电基于短焦光学架构已经开发了轻量型的高分辨率无畸变的VR光学镜头、折叠光路小畸变VR光学镜头、折叠光路较大畸变VR光学镜头,以及使用这些镜头的供研发和测试用途的低功耗VR光机,拥有合适的成像距离(成像虚拟距离从300mm到1100mm不等,明视距离为250mm),同时创造性地提出了可用于VR产品设计及零部件安装的基于同轴对称式视场夹角的瞳距调节和屈光调节方法及机构(已申请专利),为VR产品的设计提供了全新的解决方案和思路,帮助实现更加健康的和舒适的VR体验。

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