在AR头显中实现宽广的视野本身就是一个挑战，而解决所谓的聚合-调焦冲突同样是VR和AR头显目前面临的问题，使它们的舒适度和与我们的视觉在真实世界中的工作方式不太合拍。研究人员已经开始尝试使用变焦膜反射镜来解决这两个问题。

来自UNC、MPI Informatik、NVIDIA和MMCI的研究人员展示了一种面向增强现实的新型透明近眼显示器，该显示器使用膜反射镜实现了可变焦光学效果，并且成功地保持了100度的广角视野。

聚合-调焦冲突
调焦是眼睛晶状体弯曲以对不同深度的物体聚焦光线的过程。| 图片提供 Pearson Scott Foresman
在现实世界中，为了聚焦近处的物体，你的眼睛晶状体会弯曲，将来自该物体的光线聚焦到视网膜上，使你能够清晰地看到物体。对于更远的物体，光线以不同角度进入你的眼睛，晶状体再次必须弯曲，以确保光线聚焦到视网膜上。这就是为什么当你闭上一只眼睛，专注于距离你的脸几英寸远的手指时，手指后面的世界会变得模糊。相反，如果你专注于手指后面的世界，手指也会变得模糊。这就是调焦。

聚合是每只眼睛向内旋转，将每个眼睛的视野重叠为一个对齐的图像。| 图片提供 Fred Hsu (CC BY-SA 3.0)
然后是聚合，你的每只眼睛向内旋转以将每只眼睛的独立视野汇聚成一个重叠的图像。对于非常远的物体，你的眼睛几乎平行，因为它们之间的距离与物体的距离相比非常小（这意味着每只眼睛看到物体的几乎相同部分）。对于非常近的物体，你的眼睛必须急剧向内旋转以使图像汇聚。你也可以使用上面的小指把戏来看到聚合的过程；这次使用双眼，将手指靠近脸几英寸，并盯着它看。注意到你会看到远离手指的物体的重影。当你随后看向手指后面的物体时，你现在看到了双重的手指图像。

如果有足够精确的仪器，你可以利用聚合或调焦来准确地知道一个人正在看的物体有多远（请记住这一点，后面会很重要）。但问题是，调焦和聚合是自动同时发生的。它们不仅同时发生，还存在直接的相关性，对于给定的聚合测量结果，有一个直接对应的调焦水平（反之亦然）。自从你是小宝宝的时候，你的大脑和眼睛就形成了记忆肌肉，使这两种情况自动发生，无需思考，无论你看什么。

但是在现今大多数AR和VR头显中，由于光学设计的固有限制，聚合和调焦失去了同步。

在基本的AR或VR头显中，有一个显示器（假设距离眼睛3英寸），构成虚拟图像，以及一个将显示器发出的光线聚焦到眼睛上的镜头（就像眼睛中的晶状体通常将来自世界的光线聚焦到视网膜上的方式一样）。但由于显示器与眼睛的距离是固定的，所有显示在该显示器上的物体的光线来自同一距离。因此，即使虚拟山丘距离你五英里，桌子上的咖啡杯距离你五英寸，这两个物体的光线以相同的角度进入眼睛（这意味着你的调焦，即眼睛中晶状体的弯曲，永远不会改变）。

这与头显中的聚合相冲突。因为我们可以给每只眼睛展示不同的图像，聚合是可变的。能够独立调整每只眼睛的图像，使我们的眼睛需要聚焦于不同深度的物体，实质上就是给当今的AR和VR头显提供了立体视觉。但是由于光学设计的固有限制，这导致了聚合和调焦的不同步。我们可以创造的最逼真（并且可以说是最舒适）的显示器将消除几乎合焦的问题，并使两者同步工作，就像我们在现实世界中习惯的那样。
消除冲突
要实现这一点，需要找到一种方法来调整头戴设备中透镜的焦距。传统的玻璃或塑料光学元件的焦距是静态的，由透镜的曲率决定。但如果可以随需调整透镜的曲率，就可以随时改变焦距。这就是膜镜和眼球跟踪的作用。
在一篇即将发表的论文《Wide Field Of View Varifocal Near-Eye Display Using See-Through Deformable Membrane Mirrors》中，研究人员展示了他们如何使用真空腔内的可变形膜镜来创建一对可变焦的透明镜片，为增强现实显示器奠定了基础。

根据该论文，这些镜片能够将虚拟物体的对焦深度设置在20厘米至（光学上的）无穷远之间。根据论文中的描述，镜片在最小和最大焦距之间的响应时间为300毫秒，较小焦距之间的过渡速度更快。
但是，如何知道如何设置对焦深度，以使其与收敛深度完美同步呢？由于集成的眼球跟踪技术，该设备能够快速测量用户眼睛的收敛情况，该角度可以轻松用于确定用户正在看的物体的深度。有了这些数据，调整镜片的对焦深度以实现匹配就如同调整透镜的焦距一样容易。
仔细观察的您可能会看到这种方法的一个潜在限制：对焦深度只能为一个虚拟物体设定。研究人员也考虑到了这个问题，并提出了一个待测试的解决方案：
我们的显示器只能显示单一深度，这导致不同深度的虚拟内容出现错误的视图。一个简单的解决方案是根据虚拟物体的深度，将近似于眼球点扩散函数的散焦核应用于虚拟图像。由于渲染模糊可能与光学模糊不等价，我们尚未实施这种解决方案。未来的工作必须评估使用渲染模糊代替光学模糊的效果。

该论文的第6节详细介绍了该系统的其他限制（以及可能的解决方案），包括可变焦响应时间、外观尺寸、延迟、焦点曲线的一致性等等。
保持宽广的视野和高分辨率
但这并不是第一个展示可变焦显示系统的尝试。研究人员还提到了几种其他可变焦显示方法，包括自由形式光学、光场显示、针孔显示、多焦平面显示等。但根据论文的作者所说，所有这些方法在其他重要领域如视野和分辨率方面都存在重大的权衡。
而这就是这种新型膜镜方法的有趣之处——它不仅解决了几乎合焦冲突，而且还以一种方式做到了广阔的100度视野和相对较高的分辨率。您可以在上述图表中看到，根据研究人员所提出的不同可变焦方法，除了他们的解决方案外，任何大视野方法都会导致低角度分辨率（反之亦然）。
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这项技术显然处于非常初级的阶段，但它已经有效地解决了增强现实和虚拟现实头戴设备设计面临的几个关键挑战。至此，我将最后的思考留给论文的作者们（D. Dunn、C. Tippets、K. Torell、P. Kellnhofer、K. Akşit、P. Didyk、K. Myszkowski、D. Luebke和H. Fuchs）：
尽管我们的系统有一些限制，但我们相信提供正确的焦点线索以及广阔的视野是头戴式显示器最关键的特性，它试图实现虚拟世界和真实世界的无缝融合。我们的屏幕不仅为新的、改良的设计提供基础，而且还可以直接用于感知实验，以确定未来系统的需求。因此，我们认为我们的工作将极大地促进增强现实技术的发展，并有助于我们理解它如何影响用户体验。