显示专题 | 近眼视觉增强：基于相位调制的近眼设备（IEEE TVCG）

基于相位调制的近眼设备实现视觉增强

Computational Phase-Modulated Eyeglasses

本期导读

计算成像近眼设备除了在虚拟现实和增强现实有广泛的应用以外，近来也有研究将其用于补偿视觉障碍或增强人眼视觉。举例来说，应用于人眼聚焦矫正，同一套计算成像近眼设备可以在补偿近视、远视、老视等模式自由切换。利用调焦透镜实现的视觉增强近眼设备都是专门为动态聚焦矫正这一目的而设计的，无法实现更复杂的视觉增强功能，比如同时对远近物体聚焦、光学平移或光学缩放。相位空间光调制器（PSLM）作为一种可编程光学系统，可以在空间和时间上控制光学系统的参数。PSLM主要用于AR中实现动态焦面或全息显示，对于它们在视觉障碍矫正和人眼视觉增强的应用还未被研究过。鉴于此，来自东京工业大学、大阪大学、和歌山大学、奈良科学技术研究所和奥塔哥大学的研究人员提出了基于PSLM的计算成像近眼设备，除了实现了动态聚焦矫正外，还实现了同时聚焦多个平面、移动和缩放场景等功能。该研究工作近期发表于计算机图形学顶级期刊《IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG)》上。

技术路线

在傅里叶光学中，一种光学操作可以由一个延迟入射光相位的相位调制函数表示。如图1所示，一个薄透镜可以由球面波的相位调制函数表示，改变其中的焦距参数，就能够实现对场景不同深度的聚焦；一个图像平移操作可以由平面波的相位调制函数表示，改变其中的方向参数，则能实现对场景的平移。该研究还利用光线传输矩阵推导出，利用两个PSLM可以实现对场景的缩放，即改变成像系统的垂轴放大率。

图1 利用PSLM实现 (a)聚焦矫正；（b）多平面聚焦；（c）图像平移；（d）缩放

图2演示了一个PSLM显示一个菲涅尔凸透镜相位图的结果。从聚焦于PSLM表面的拍摄图像上看，相位图的表现就好像PSLM上有一个薄薄的透镜层。
图2. （左）输入的菲涅尔凸透镜相位图；（中）该相位图的剖面；（右）当聚焦在PSLM表面时的拍摄图像
该研究接下来讨论了基于相位调制的计算成像近眼设备的一些应用场景及其原型实现。屈光不正是最常见的视觉障碍，特别是近视、远视、老视和散光。老视患者通常需要佩戴多光镜来补偿晶状体在所有距离上衰退的调节功能。但是多光镜的视场较小，用它观看远近不同的物体会有跳变现象，需要时间适应。如前所述，PSLM的基本功能之一是模拟一个薄透镜。因此，如图3所示，该研究演示了单个PSLM配置实现对不同距离的物体连续变焦，从而矫正近视、远视和老视。
图3. （左）聚焦在前面的物体上；（中）聚焦在前后物体之间；（右）聚焦在后面的物体上

和其它方法不同的是，如图4所示，该研究展示了单个PSLM配置还能实现对位于多个不同深度的物体同时聚焦。具体的方法是，将PSLM划分为多个区域，每个区域显示对应焦距的透镜相位图。
图4. （左）成像场景；（中）相位图，底部图像为双焦透镜相位图，在内部为凹透镜相位图，在外围为凸透镜相位图；（右）观测到的场景

当人在做快速眼球运动时，大脑会稳定住视野。但是当物体快速运动时，人的大脑无法补偿这种影响。相位调制增强人眼视觉的一个重要应用就是提供稳定的视野。图5演示了通过一个场景相机检测基准标记物的位移，将该位移作为PSLM显示平面波相位图的方向，可以将场景中的目标物体稳定在视野的指定位置。

图5. （左）视野稳定功能开启；（中）视野稳定功能关闭；（右）场景中印有基准标记的纸板水平移动而电池保持不动

当人们想要在遥远的距离有一个更好的视野时，即使是视力正常的人也需要依赖望远镜，而望远镜通常都有很大的体积。图6的实验结果展示了利用两个PSLM实现的光学缩放，图中的鬼影来自于实验样机的0级反射和未被遮挡的场景光，双PSLM的设置也使得光效率急剧降低。
图6. 双PSLM的缩放控制实验

光场成像是计算机视觉中一个有趣的领域。如图7所示，该研究还展示了，通过在PSLM显示透镜阵列相位图，即可拍摄参数可调节的光场图像，这可能启发PSLM在计算摄影中的应用。

图7. （左）透镜阵列相位图；（中）拍摄到的光场图像；（右）场景设置

总的来说，该研究提出了利用相位调制补偿视觉障碍和增强人眼视觉的概念和原型实现。相比于调焦透镜，相位调制作为一种更通用的方法能够实现更多的光学操作，具有广阔的应用前景。但是目前这种方法仍有体积较大、成像视角小和质量低的缺点，在未来还有很大改进的空间，为近眼设备的设计和应用提供了一种思路。

论文信息：

• Y. Itoh, T. Langlotz, S. Zollmann, D. Iwai, K. Kiyokawa, and T. Amano, "Computational phase-modulated eyeglasses" IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (2021).

技术详见：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8868217

*该技术分享所涉及文字及图片源于网络公开素材,不做任何商业用途。

欢迎查阅我们公众号之前关于显示的相关报道，点击以下链接查阅。

回顾与预告

上期回顾：成像专题 | 高质量、高分辨率数字全息成像通用优化框架 (OSA OE)欢迎点击查阅

下期预告：我们将不定期推荐学术领域具有代表性的计算显示和计算成像研究工作，同时穿插一些新型光学设计和VR/AR光机实现科普等的资讯分享，欢迎订阅关注，欢迎来稿交流。
Contact: [e-mail]
INTELLIGENTOPTICSSHARING (I.O.S.) 运营以该领域的研究学者为主，非盈利非广告，希望能够结交共同兴趣方向的读者们，建立光学和计算机交叉学科领域内一个资讯分享交流的平台。如果喜欢，请点击“在看”和“点赞”，将有助于微信公众号平台对信息的定向统计和及时推送，小编团队在此不胜感激，谢谢！！


END