[论文解读] Air Mounted Eyepiece: Design Methods for Aerial Optical Functions of Near-Eye and See-Through Display using Transmissive Mirror Device

Yoichi Ochiai, Kazuki Otao+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出了一种名为空气悬挂目镜（Air Mounted Eyepiece, AME）的新型近眼透视显示装置，采用透射式镜面器件（Transmissive Mirror Device, TMD）将头戴式显示器（HMD）镜片的真实空中像投射到眼睛前方，从而在无需佩戴物理眼镜的情况下实现大视角的透视增强现实（AR）与混合现实（MR）体验。通过利用带有微双面角反射器阵列（Micro Dihedral Corner Reflector Array, MDCRA）的TMD，该方法实现了无畸变、大视场角的光学透视成像，显著提升了在汽车与医疗系统等应用中的人体工学性能与安全性。

ABSTRACT

We propose a novel method to implement an optical see-through head mounted display which renders real aerial images with a wide viewing angle, called an Air Mounted Eyepiece (AME). To achieve the AMD design, we employ an off-the-shelf head mounted display and Transmissive Mirror Device (TMD) which is usually used in aerial real imaging systems. In the proposed method, we replicate the function of the head mounted display (HMD) itself, which is used in the air by using the TMD and presenting a real image of eyepiece in front of the eye. Moreover, it can realize a wide viewing angle 3D display by placing a virtual lens in front of the eye without wearing an HMD. In addition to enhancing the experience of mixed reality and augmented reality, our proposed method can be used as a 3D imaging method for use in other applications such as in automobiles and desktop work. We aim to contribute to the field of human-computer interaction and the research on eyepiece interfaces by discussing the advantages and the limitations of this near-eye optical system.

研究动机与目标

• 开发一种无需佩戴的、具有大视场角的透视增强现实显示装置。
• 克服传统半透镜面与波导在光学透视HMD中的局限性，包括视场角狭窄与图像畸变问题。
• 通过TMD将HMD镜片的真实空中像投射到空中，实现非佩戴式、沉浸式的近眼显示体验。
• 探索TMD（常用于空中成像）在近眼显示应用中的可行性。
• 支持在汽车与医疗领域中对安全性与视野无遮挡具有关键要求的应用。

提出的方法

• 该方法利用带有微双面角反射器阵列（MDCRA）的透射式镜面器件（TMD），在眼睛前方形成单镜片VR显示器的真实空中像。
• 将HMD的位置调整为使其镜片与TMD对焦，从而构建一个光学系统，将图像投射至眼睛所在位置的空中。
• 应用数字图像翻转技术，校正TMD系统形成的上下与左右颠倒的图像。
• 通过最小化TMD与眼睛之间的距离，实现大视场角，避免传统半透镜面或凸面镜的限制。
• 该方法利用市售的HMD与TMD，支持快速原型开发，并与现有显示规格兼容。
• 使用偏振滤光片抑制二次反射，防止视场角变窄。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用TMD在眼睛前方投射HMD镜片的真实、无畸变空中像，以模拟非佩戴式HMD的体验？
• RQ2 所提出的AME方法是否相比传统半透镜面或凸面镜基的透视HMD具有更宽的视场角？
• RQ3 AME系统能否在保持全透视功能的同时维持图像质量并避免畸变？
• RQ4 AME系统的分辨率与视场角如何依赖于TMD的镜面间距与HMD的规格？
• RQ5 AME能否在非佩戴式、安全关键的应用场景（如汽车或医疗领域）中有效应用？

主要发现

• AME系统成功在眼睛前方投射出VR显示器镜片的真实空中像，实现了无需物理佩戴即可复现HMD体验。
• 该方法利用市售Oculus DK2 HMD实现了高达110°的视场角，显著超过传统半透镜面系统的狭窄视场角。
• 由于TMD能够保持真实图像的光场特性，该系统在透视视图中避免了图像畸变，优于凸面镜或半透镜面。
• 使用偏振滤光片有效抑制了二次反射，维持了宽广且清晰的视觉视野。
• 空中像的分辨率取决于TMD的镜面间距，更细的间距可实现更高分辨率的成像。
• 该方法与现有HMD和TMD兼容，支持快速原型开发，并具备在实际应用中扩展的潜力。