深入AR系統構建，為啥AR顯示技術發展這么慢、這么難

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為什么(me)研發AR顯示器這(zhe)么(me)難？

（映(ying)維網 2019年8月21日(ri)移動(dong)AR已成為(wei)熱點話題。與微軟見(jian)面HoloLens，Magic Leap的(de)Creator Edition或DAQRI的(de)S ** rt Glasses當你有相關的(de)熱門(men)文章(zhang)時，你會有一個AR似乎終于準備(bei)好走進(jin)大眾市(shi)場了。然而，設備(bei)仍(reng)有許多缺陷，尤其是顯(xian)示器(qi)。

最近流行媒體出現(xian)了各(ge)種推測和(he)功能建議(yi)，大家似乎普(pu)遍認為現(xian)在AR顯示器非(fei)常(chang)優秀，雖然視野仍然太(tai)小，但很(hen)快(kuai)就(jiu)會達到(dao)優秀的水平(ping)。例如(ru)，波導(dao)設計師DigiLens等待顯示器制造商也加入(ru)了這一輪的視野噪音，并最近宣布他們AR顯示器很(hen)快(kuai)就(jiu)能達到(dao)150度的視場。

在本文中，DAQRI首席(xi)技(ji)術(shu)(shu)官(guan)Daniel Wagner、DAQRI首席(xi)光學(xue)設(she)計工程師Louahab Noui和DAQRI研究總監Adrian Stannard試著解釋為什(shen)么視(shi)場不(bu)太可能在短時間內大幅擴(kuo)展。本文的(de)另一(yi)個更(geng)重要(yao)(yao)的(de)目標是，這表明視(shi)野只是正確的(de)AR大約24個參數(shu)中有一(yi)個顯示(shi)器很(hen)重要(yao)(yao)。其他參數(shu)的(de)重要(yao)(yao)性不(bu)亞于FOV，尚(shang)未解決或可獨立(li)解決。其實(shi)目前大部分都(dou)是AR軍事(shi)或工業場景中已經存在了顯示(shi)技(ji)術(shu)(shu)，最近(jin)的(de)進展降低了相關成(cheng)本，新的(de)突破(po)更(geng)少(shao)。以下(xia)是映維網的(de)具體整理:

1. AR顯示器的類型

目前(qian)主要有兩(liang)種AR顯示技術：光學透視和視頻(pin)透視。該行業過去探索(suo)過這兩(liang)種選擇(ze)，但由于其明顯的(de)局限性，幾乎所(suo)有的(de)商業用途AR所(suo)有設(she)備均采用光學透視顯示器。

karrylady.cn 光(guang)學透視顯示(shi)器

光(guang)(guang)(guang)學透視顯(xian)(xian)(xian)示器(qi)允許用戶(hu)直接(jie)(通過(guo)一(yi)組(zu)光(guang)(guang)(guang)學元件(jian))感知現實(shi)(shi)(shi)世(shi)(shi)界。這種(zhong)AR顯(xian)(xian)(xian)示器(qi)通過(guo)向現實(shi)(shi)(shi)世(shi)(shi)界的(de)光(guang)(guang)(guang)添加(jia)額外(wai)的(de)光(guang)(guang)(guang)來呈現虛(xu)擬內容。因為這是一(yi)種(zhong)添加(jia)操作，不可(ke)能顯(xian)(xian)(xian)示黑(hei)色或使現實(shi)(shi)(shi)世(shi)(shi)界變暗。因此，今天的(de)無源光(guang)(guang)(guang)學系(xi)統(tong)無法顯(xian)(xian)(xian)示黑(hei)色虛(xu)擬內容或繪制陰(yin)影(ying)。有實(shi)(shi)(shi)驗設備可(ke)以阻(zu)止(zhi)每個(ge)像素級別的(de)射(she)光(guang)(guang)(guang)，但它們(men)離(li)實(shi)(shi)(shi)際應用還很遠，所以本文不考慮。

光(guang)學透視顯示器主要有(you)波導(dao)(dao)和自由空(kong)間系統(組合(he)器)兩種。目前，波導(dao)(dao)（見下圖(tu)）顯然在(zai)(zai)(zai)高端領域(yu)占據主導(dao)(dao)地位，上述設備基于波導(dao)(dao)：投影儀在(zai)(zai)(zai)波導(dao)(dao)位置(zhi)（內(nei)耦合(he)）插入圖(tu)像(xiang)。全內(nei)反射(she)（Total Internal Reflection；TIR），它會(hui)在(zai)(zai)(zai)波導(dao)(dao)內(nei)反彈(就像(xiang)在(zai)(zai)(zai)光(guang)纖電(dian)纜中一樣)，然后在(zai)(zai)(zai)另一個位置(zhi)(外(wai)耦合(he))向眼睛出射(she)。波導(dao)(dao)很受歡迎，因(yin)為它們可以(yi)實現簡潔的平面設計，但(dan)會(hui)帶來一系列(lie)的(圖(tu)像(xiang)質量)問題。

左邊是基于波導的光學透視顯示器(qi)；右邊是基于自由空間系統的光學透視顯示器(qi)

當今最流行的(de)(de)波(bo)導替(ti)代方(fang)案是自由(you)空(kong)間(jian)系(xi)統(tong)。由(you)于(yu)(yu)(yu)使用自由(you)元件，其設計過于(yu)(yu)(yu)復雜，但從(cong)光學的(de)(de)角度來(lai)看，它比波(bo)導簡單得多，因此(ci)它可(ke)以(yi)產(chan)生更高的(de)(de)圖像質量。此(ci)外，一旦完全原型(xing)化，其生產(chan)成本將(jiang)遠低于(yu)(yu)(yu)波(bo)導。對于(yu)(yu)(yu)基(ji)于(yu)(yu)(yu)自由(you)空(kong)間(jian)系(xi)統(tong)的(de)(de)顯示(shi)器(qi)來(lai)說(shuo)，一個常(chang)見的(de)(de)誤解似乎(hu)是，它們通常(chang)必須有(you)很大的(de)(de)視野（例如(ru)Meta2）。

波導(dao)光(guang)學(xue)效(xiao)率低，需(xu)要強大的投影(ying)儀。目前(qian)的實現方法是(shi)將(jiang)其用作光(guang)源LED和作為圖像調(diao)制器LCOS組合。自由空間系統(tong)通常(chang)足夠(gou)應用OLED，后者(zhe)具有自發光(guang)的特點，可以(yi)實現較小的投影(ying)儀設(she)計(ji)。

karrylady.cn 視頻(pin)透視顯示器(qi)

對于視(shi)頻透視(shi)顯(xian)(xian)示器(qi)，一對攝像頭將記錄真實世(shi)界的(de)視(shi)圖，然后通過不透明(ming)顯(xian)(xian)示器(qi)顯(xian)(xian)示，如(ru)OLED或LCD。通過常(chang)見的(de)視(shi)頻混合技(ji)術添加虛(xu)擬內(nei)容，這(zhe)意味(wei)著任(ren)何類型的(de)操作都可以進行(xing)，包括顯(xian)(xian)示黑色虛(xu)擬內(nei)容和暗化現實世(shi)界。

視頻透視顯(xian)示(shi)器(qi)的原理(li)

適(shi)當(dang)的(de)(de)視(shi)(shi)頻(pin)混合(he)能力絕對是(shi)視(shi)(shi)頻(pin)通(tong)過光(guang)學(xue)透(tou)視(shi)(shi)的(de)(de)優勢。盡管如此(ci)，現在(zai)(zai)基(ji)本上是(shi)全(quan)部AR所(suo)有設(she)備均(jun)采(cai)用(yong)(yong)光(guang)學(xue)透(tou)視(shi)(shi)。原因很簡(jian)單:在(zai)(zai)視(shi)(shi)頻(pin)透(tou)視(shi)(shi)的(de)(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，本文討(tao)論的(de)(de)所(suo)有挑戰都(dou)適(shi)用(yong)(yong)于(yu)真實(shi)視(shi)(shi)圖和(he)(he)虛擬內(nei)容。相(xiang)比之(zhi)下(xia)，光(guang)學(xue)透(tou)視(shi)(shi)只適(shi)用(yong)(yong)于(yu)虛擬內(nei)容，通(tong)過巧妙UI我們可(ke)以更好地控制設(she)計。動態范圍(wei)是(shi)一個(ge)明顯(xian)的(de)(de)例子(zi)：雖(sui)然人(ren)眼(yan)可(ke)以看到(dao)一個(ge)人(ren)站(zhan)在(zai)(zai)陽(yang)光(guang)下(xia)，一個(ge)人(ren)站(zhan)在(zai)(zai)陰影下(xia)，但今天的(de)(de)相(xiang)機和(he)(he)顯(xian)示器無(wu)法解決(jue)這(zhe)個(ge)問題。要(yao)(yao)么陰影中的(de)(de)人(ren)太(tai)(tai)暗，要(yao)(yao)么陽(yang)光(guang)下(xia)的(de)(de)人(ren)太(tai)(tai)亮。此(ci)外，大(da)視(shi)(shi)場(chang)是(shi)必(bi)要(yao)(yao)的(de)(de)，不僅要(yao)(yao)匹(pi)配部署的(de)(de)攝像頭系(xi)統，還要(yao)(yao)模仿肉(rou)眼(yan)看到(dao)的(de)(de)真實(shi)世界視(shi)(shi)場(chang)。此(ci)外，還有安全(quan)和(he)(he)人(ren)類因素需(xu)要(yao)(yao)解決(jue)。因此(ci)，本文的(de)(de)其(qi)余(yu)部分(fen)只討(tao)論光(guang)學(xue)透(tou)視(shi)(shi)顯(xian)示。

2. 設計參數

本文假設視場只是(shi)AR顯示器的許(xu)多(duo)基本設計參數(shu)之(zhi)一。大多(duo)數(shu)設計參數(shu)與F視場一樣重(zhong)要(yao)(yao)。以下是(shi)最重(zhong)要(yao)(yao)的屬性：

視窗大小(xiao)（Eye box size）亮度(du)、透(tou)明度(du)和空間對比度(du)均勻性和顏色質(zhi)量分辨(bian)率(lv)現實世界畸變虛擬圖像畸變眼安全眼距色差深度(du)感知體積，重量和形狀參(can)數光學(xue)效(xiao)率(lv)延(yan)遲雜散(san)光

我們(men)可以(yi)相對(dui)容易地以(yi)其他參數(shu)(shu)為代價來(lai)改進參數(shu)(shu)。例如，如果你能接受(shou)大尺(chi)寸和(he)小窗(chuang)(chuang)戶(hu)，那(nei)么增(zeng)加視(shi)野并不(bu)難(nan)。但大多(duo)數(shu)(shu)用(yong)戶(hu)可能不(bu)想使用(yong)這樣的(de)設備(bei)。另一方(fang)面，在小顯示器中(zhong)實現(xian)大視(shi)野和(he)大窗(chuang)(chuang)戶(hu)是非常具(ju)有挑(tiao)戰(zhan)性的(de)。類似地，大窗(chuang)(chuang)戶(hu)需要更(geng)多(duo)的(de)光(guang)來(lai)實現(xian)相同的(de)感知(zhi)亮度，因此需要更(geng)強的(de)光(guang)源。

今(jin)天下(xia)面(mian)描述的(de)(de)(de)大(da)多數(shu)參數(shu)都沒有達到最理想的(de)(de)(de)狀態。因此(ci)，設(she)備(bei)制造(zao)商的(de)(de)(de)目標是(shi)全(quan)面(mian)改進(jin)它們(men)。但(dan)正如剛(gang)才提到的(de)(de)(de)，在(zai)不犧牲(sheng)其他參數(shu)的(de)(de)(de)情況下(xia)，很(hen)難改進(jin)一個參數(shu)。這種權衡的(de)(de)(de)主(zhu)要原因是(shi)所謂的(de)(de)(de)系統光(guang)學擴(kuo)展(zhan)。以(yi)下(xia)公式定義為幾何不變量。與能(neng)量守(shou)恒(heng)(heng)類似(si)，我們(men)需要保(bao)持光(guang)學擴(kuo)展(zhan)守(shou)恒(heng)(heng)。在(zai)最簡(jian)單的(de)(de)(de)形式中，光(guang)束所占立(li)體角(jiao)的(de)(de)(de)乘積(ji)必須是(shi)最簡(jian)單的(de)(de)(de)形式。

光學(xue)擴展守恒(heng)：h2越(yue)(yue)高，Ω2則(ze)越(yue)(yue)小

在圖(tu)片(pian)中，高(gao)度(du)為(wei)h1的對象(xiang)用作光(guang)源。圖(tu)像(xiang)高(gao)度(du)用于顯示(shi)透鏡系統的幾何形狀h2> h1.對象(xiang)側的立(li)體(ti)角(jiao)Ω2小于Ω1.換句話說(shuo)，如果面(mian)積擴(kuo)大，立(li)體(ti)角(jiao)會減(jian)小，反之亦然。更正(zheng)式的光(guang)學擴(kuo)展量定義(yi)為(wei):

n是(shi)介質的折射(she)率，θ是(shi)面積dA發射(she)(或接收)光束的角度。光學擴(kuo)展沒有標準符號，但G”和(he)“dG常(chang)用于光學領域。類似術語(yu)出現在近(jin)軸極限中，稱為拉格(ge)朗日不變量：

其中h1和(he)h對象和(he)圖(tu)像的(de)高度，u1和(he)u二是對象和(he)圖(tu)像的(de)射線角度。G有時(shi)用(yong)于包(bao)含替代表達(da)式NA顯微鏡物鏡(數值孔徑):

如果(guo)試圖擴大(da)出射光瞳孔(kong)以獲得恒定視(shi)場(chang)(chang)，光學(xue)擴展將影(ying)響光發動機(ji)設(she)計的(de)效率和(he)投影(ying)儀(yi)(yi)的(de)尺寸。以下圖中(zhong)簡單的(de)投影(ying)儀(yi)(yi)設(she)計為例，焦(jiao)距為f的(de)準(zhun)直鏡準(zhun)直寬度為x的(de)微顯(xian)示面(mian)板(ban)（僅限于一個維度）。投影(ying)儀(yi)(yi)的(de)視(shi)場(chang)(chang)是我們(men)希望通(tong)過顯(xian)示器實現和(he)中(zhong)繼的(de)目標，無(wu)論是波導還是自由空間系統。

基于準直微顯(xian)示面(mian)板的簡單頭顯(xian)投影(ying)儀

投影(ying)儀的(de)高度(射光瞳(tong))由鏡頭(tou)直徑(jing)決定(ding)，投影(ying)儀的(de)視場θ以(yi)下(xia)等式確定(ding)：

為(wei)了增(zeng)(zeng)(zeng)加給定(ding)顯示器的(de)(de)視野，我們(men)(men)需要(yao)減少f或增(zeng)(zeng)(zeng)加fx，但根據(ju)光(guang)(guang)(guang)學擴展(zhan)(zhan)守(shou)恒，增(zeng)(zeng)(zeng)加立體(ti)角度會(hui)(hui)減小圖像尺寸。此(ci)(ci)外，透鏡(jing)半徑(jing)不(bu)能(neng)大于其曲率(lv)(lv)半徑(jing)，這決定(ding)了其焦距(ju)（通常使(shi)用鏡(jing)子，因此(ci)(ci)只(zhi)有一(yi)個表(biao)面(mian)具有屈光(guang)(guang)(guang)率(lv)(lv)）。因此(ci)(ci)，有一(yi)種權衡，我們(men)(men)可以通過更大的(de)(de)顯示面(mian)板來(lai)解決，但這將使(shi)投(tou)影儀(yi)和照明(ming)系統(tong)更大，因為(wei)在準直光(guang)(guang)(guang)源(yuan)中(zhong)也會(hui)(hui)出現同樣的(de)(de)問題。因此(ci)(ci)，光(guang)(guang)(guang)電發射顯示面(mian)板非(fei)(fei)常有吸引力。波(bo)導非(fei)(fei)常受歡迎(ying)，因為(wei)它(ta)們(men)(men)支持瞳(tong)孔(kong)擴展(zhan)(zhan)或瞳(tong)孔(kong)擴展(zhan)(zhan) ** 因此(ci)(ci)，光(guang)(guang)(guang)學擴展(zhan)(zhan)量關(guan)系不(bu)會(hui)(hui)直接受到(dao)影響。但這會(hui)(hui)產生圖像質量、效率(lv)(lv)和亮度等其他后果。當你選(xuan)擇用于投(tou)影儀(yi)的(de)(de)掃描激光(guang)(guang)(guang)系統(tong)時，你也會(hui)(hui)遇到(dao)其他復(fu)雜(za)的(de)(de)情況(kuang)，因為(wei)投(tou)影儀(yi)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)瞳(tong)很小。擴展(zhan)(zhan)這種投(tou)影儀(yi)的(de)(de)一(yi)種方法是使(shi)用中(zhong)介屏幕作為(wei)輔助光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，但會(hui)(hui)增(zeng)(zeng)(zeng)加體(ti)積（因為(wei)需要(yao)額(e)外的(de)(de)中(zhong)繼透鏡(jing)），增(zeng)(zeng)(zeng)加斑點(dian)，降低效率(lv)(lv)。另(ling)一(yi)種瞳(tong)孔(kong)擴展(zhan)(zhan)方法是使(shi)用波(bo)導，但如果沒有眼動(dong)跟蹤和主動(dong)校正(zheng)功能(neng)，就很難抑(yi)制偽影。

karrylady.cn 視(shi)場

雖然每個人似乎都渴望更(geng)大(da)(da)(da)的(de)(de)視(shi)野，但它必須與其(qi)他(ta)方(fang)面(mian)仔細平(ping)衡。對更(geng)大(da)(da)(da)視(shi)野的(de)(de)需求在很(hen)(hen)大(da)(da)(da)程度(du)上取決于頭(tou)部顯示設(she)計(ji)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。對于游(you)戲等(deng)消(xiao)費者用(yong)例，更(geng)大(da)(da)(da)的(de)(de)視(shi)野將增加(jia)沉浸感。×對于大(da)(da)(da)多數專業用(yong)例(如維護和檢(jian)查等(deng))來說，30度(du)的(de)(de)視(shi)場(chang)就足夠了，因為焦(jiao)點很(hen)(hen)小，而其(qi)他(ta)方(fang)面(mian)更(geng)重要(yao)(比(bi)如增加(jia)安全性(xing))。

各種AR/VR設備(bei)視(shi)場(chang)和(he)人類(lei)(lei)視(shi)場(chang)。為了簡(jian)單起見(jian)，所有的視(shi)場(chang)都畫成矩(ju)形。注意(yi)，實際(ji)AR/VR設備(bei)視(shi)場(chang)和(he)人類(lei)(lei)視(shi)場(chang)都不是矩(ju)形。

如上圖所示，今天的(de)AR顯示器(qi)只(zhi)覆蓋了人類(lei)視野的(de)一(yi)小部(bu)分。由于光學(xue)設置更(geng)簡單VR設備更(geng)接近覆蓋整個(ge)人類(lei)視野。

如下簡化方程所示：

光學表面的尺(chi)寸(如寬度)，b是視(shi)窗尺(chi)寸，r是適眼(yan)距，v是視(shi)場。下圖顯示了這種關系。

光學表(biao)面尺寸(cun)（s），適眼距(ju)（r），視窗尺寸(cun)（b）和(he)視場（v）的關系。

假(jia)設視場(chang)為40度(du)(du)，適眼距(ju)為20度(du)(du)mm，視窗尺寸是(shi)20mm，顯(xian)(xian)示表(biao)面需(xu)要(yao)(yao)35個mm寬。假(jia)設視場(chang)為90度(du)(du)，其它參數(shu)(shu)相似(si)，顯(xian)(xian)示表(biao)面需(xu)要(yao)(yao)達到60度(du)(du)mm。對(dui)于DigiLens顯(xian)(xian)示器的對(dui)角(jiao)線(xian)(xian)需(xu)要(yao)(yao)達到170度(du)(du)(對(dui)角(jiao)線(xian)(xian))波導mm。對(dui)于4:3的形狀參數(shu)(shu)，顯(xian)(xian)示器需(xu)要(yao)(yao)135左右mm×100mm，而且是(shi)單眼。

波導尺寸從左到(dao)右:35mm，60mm和135mm。

從上(shang)圖可以看出，即使(shi)是(shi)60mm寬(kuan)波導(dao)已經(jing)相當大(da)了，mm寬(kuan)波導(dao)根(gen)本不可行。它(ta)不僅可笑，而且這(zhe)種寬(kuan)視(shi)場(chang)必須包含在(zai)雙眼(yan)重(zhong)疊(die)中，這(zhe)意味著(zhu)兩個波導(dao)必須重(zhong)疊(die)。顯然，為了達到這(zhe)樣的(de)視(shi)野，平面顯示表面將不再有效，曲(qu)面組(zu)合(he)器選(xuan)項需要(yao)考(kao)慮。(雖然不是(shi)不可能(neng))但曲(qu)面波導(dao)目前只(zhi)是(shi)一(yi)個研究課題，離實用還很遠(yuan)。

karrylady.cn 視(shi)窗尺寸

視(shi)窗是(shi)(shi)近眼(yan)顯示器前面(mian)的(de)區域(yu)，允許用戶正(zheng)確感(gan)知(zhi)(zhi)顯示內容(rong)。窗外的(de)顯示內容(rong)可(ke)能(neng)會(hui)扭曲，顏色可(ke)能(neng)會(hui)錯(cuo)誤，或(huo)者內容(rong)可(ke)能(neng)根本(ben)無法(fa)感(gan)知(zhi)(zhi)。盡(jin)管該行業稱之為視(shi)窗，但該地區的(de)3D形狀(zhuang)不是(shi)(shi)盒子，而是(shi)(shi)圓錐形，會(hui)隨著距(ju)離顯示器的(de)距(ju)離而變薄。盡(jin)管視(shi)窗是(shi)(shi)AR和VR顯示領域(yu)的(de)常(chang)見術語，但光(guang)學(xue)元件(jian)領域(yu)更常(chang)用的(de)術語是(shi)(shi)瞳孔，其中瞬時視(shi)場等(deng)于總視(shi)場。

眼睛是(shi)黑色的(de)，窗戶(hu)是(shi)綠色的(de)，顯(xian)示器是(shi)藍色的(de)。

當(dang)使用雙(shuang)筒(tong)望遠鏡(jing)(jing)或(huo)顯(xian)微鏡(jing)(jing)時(shi)，大(da)多數人應該(gai)注意(yi)到瞳(tong)孔太小的(de)問題：除非每只眼(yan)睛都能準確地定(ding)位在(zai)眼(yan)鏡(jing)(jing)前(qian)的(de)正(zheng)確位置，否(fou)則你(ni)什么也(ye)看不(bu)見。這種不(bu)受歡迎行為(wei)的(de)原因(yin)是，較小的(de)瞳(tong)孔會(hui)導致更高的(de)光效率（進入雙(shuang)筒(tong)望遠鏡(jing)(jing)的(de)光集中在(zai)另(ling)一側的(de)小區域），這顯(xian)然是雙(shuang)筒(tong)望遠鏡(jing)(jing)的(de)理(li)想(xiang)屬性。

那么(me)，視窗有(you)多大(da)呢？視窗的最小實際(ji)尺(chi)寸(cun)顯然是人眼瞳(tong)孔的尺(chi)寸(cun)(通常假設為(wei)4左右mm），這(zhe)通常是雙(shuang)筒(tong)望(wang)遠(yuan)鏡的設計目標。雙(shuang)筒(tong)望(wang)遠(yuan)鏡的視野很小，所以(yi)瞳(tong)孔保(bao)持相對固定。AR/VR顯示(shi)器，用(yong)戶的眼睛可以(yi)自由移動。視窗需要在每個(ge)方(fang)向增加至少幾毫(hao)米，以(yi)支持這(zhe)種眼睛運(yun)動。

眼球運動不(bu)(bu)(bu)是(shi)(shi)擴大視(shi)窗的唯一(yi)要(yao)求。不(bu)(bu)(bu)同(tong)的人有不(bu)(bu)(bu)同(tong)的瞳距(ju)（IPD）。為了支持這種差異化，需(xu)(xu)要(yao)機械(xie)調(diao)節(如雙筒望遠鏡)或光(guang)學調(diao)節(通過進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加視(shi)窗寬度(du))。對于(yu)移動設備來(lai)說，移動組件存在很(hen)大的問題(ti)，尤其是(shi)(shi)在需(xu)(xu)要(yao)精確校準的時候。由于(yu)機械(xie)調(diao)整不(bu)(bu)(bu)是(shi)(shi)一(yi)個(ge)好的選擇，因此(ci)需(xu)(xu)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加至少10個(ge)窗口寬度(du)mm，理想情況(kuang)下是(shi)(shi)20mm。

由于波(bo)(bo)導(dao)(dao)輸入光瞳通常不是很大，行業(ye)開(kai)發了(le)各種技術來增加(jia)射(she)光瞳的(de)尺寸，如(ru)擴張(zhang)或擴張(zhang) ** 。衍(yan)射(she)波(bo)(bo)導(dao)(dao)具(ju)有自然(ran)優勢，反射(she)波(bo)(bo)導(dao)(dao)向(xiang)兩個(ge)方向(xiang)擴展視(shi)窗(2D瞳孔擴展)非常具(ju)有挑戰性。因此，半反射(she)波(bo)(bo)導(dao)(dao)通常比(bi)衍(yan)射(she)波(bo)(bo)導(dao)(dao)小。

大(da)(da)視(shi)窗的(de)(de)設計(ji)通常非常具有挑戰性，并將對其他設計(ji)參數產生巨大(da)(da)的(de)(de)影響(xiang)。例如(ru)。窗戶(hu)的(de)(de)大(da)(da)小直接(jie)影響(xiang)顯示區域（波導(dao)）所需(xu)的(de)(de)大(da)(da)小。此外，就像雙筒望遠(yuan)鏡的(de)(de)例子一樣，為了(le)實現相同(tong)的(de)(de)感知亮(liang)度，更大(da)(da)的(de)(de)窗戶(hu)需(xu)要更多的(de)(de)光輸出。

karrylady.cn 亮度(du)、透明度(du)和占空時間

簡單(dan)地(di)說，顯示亮(liang)度(du)定(ding)義(yi)了顯示亮(liang)度(du)是否足以支(zhi)持用戶在(zai)特定(ding)情(qing)況下清(qing)楚地(di)感知虛擬(ni)內容。透明度(du)是關于(yu)現實世界(jie)中有多少光(guang)能到達(da)眼(yan)睛。對于(yu)AR，理想情(qing)況下，非模糊(hu)區域達(da)到100%。對于(yu)VR，它通(tong)常是零。占空時間(jian)(jian)(jian)定(ding)義(yi)了每(mei)幀像素點(dian)亮(liang)的(de)時間(jian)(jian)(jian)。可以毫秒或幀時間(jian)(jian)(jian)百分比測量占空時間(jian)(jian)(jian)。這三個主題在(zai)很(hen)大(da)程度(du)上獨立(li)于(yu)用戶的(de)視角，但在(zai)技術上卻密切相關。本(ben)節將一起討論。

對移動(dong)AR就設(she)備而(er)言，顯(xian)(xian)示(shi)亮度(du)絕對是一個(ge)極(ji)具挑戰性(xing)的(de)(de)話題(ti)。今(jin)天(tian)幾乎所有的(de)(de)AR頭(tou)部顯(xian)(xian)示(shi)的(de)(de)亮度(du)非常有限：Hololens和DAQRI S ** rt Glasses顯(xian)(xian)示(shi)亮度(du)約為(wei)300 nits，而(er)Magic Leap One的(de)(de)顯(xian)(xian)示(shi)亮度(du)僅為(wei)200 nits。由于顯(xian)(xian)示(shi)器(qi)(qi)亮度(du)非常具有挑戰性(xing)，所以(yi)今(jin)天(tian)大多數(shu)的(de)(de)AR眼鏡通常都(dou)是經過調配(pei)，只(zhi)限于室內(nei)使用(yong)(yong)，而(er)且在(zai)(zai)戶外(wai)很快變得不(bu)可(ke)用(yong)(yong)，尤其是在(zai)(zai)陽光直射的(de)(de)情況(kuang)下(xia)。為(wei)了減(jian)輕這個(ge)問題(ti)，大多數(shu)AR頭(tou)顯(xian)(xian)都(dou)采用(yong)(yong)會(hui)降低透明(ming)度(du)，并因而(er)減(jian)少到達用(yong)(yong)戶眼睛的(de)(de)環境光線數(shu)量的(de)(de)有色面板，從而(er)令(ling)顯(xian)(xian)示(shi)器(qi)(qi)相對更加光亮。盡(jin)管這對于消費者來說或許可(ke)以(yi)接受，但大多數(shu)專業領域(yu)都(dou)不(bu)能容忍低顯(xian)(xian)示(shi)透明(ming)度(du)。

除了有色面(mian)板(ban)，大多數(shu)光學設(she)計都會阻擋(dang)大量(liang)的(de)(de)現(xian)(xian)實世界光線。例如，Birdbath設(she)計（原ODG和現(xian)(xian)Nreal）會格擋(dang)大部(bu)分的(de)(de)入(ru)射光線。

Karl Guttag的(de)(de)(de)博(bo)客有關于這(zhe)(zhe)方面(mian)的(de)(de)(de)介紹(shao)（這(zhe)(zhe)里 和這(zhe)(zhe)里 ）。根據Guttag的(de)(de)(de)說法，Hololens只允許約40％的(de)(de)(de)環(huan)(huan)境(jing)光線到達(da)眼睛，MagicLeap One僅為約15％，而在2019年初亮(liang)(liang)相(xiang)的(de)(de)(de)Nreal眼鏡則是25％左右。幸運的(de)(de)(de)是，人眼具(ju)有大(da)約1：109的(de)(de)(de)巨大(da)動(dong)態(tai)范圍，所以我們能夠應對這(zhe)(zhe)種亮(liang)(liang)度降低。但在黑暗環(huan)(huan)境(jing)中(zhong)，這(zhe)(zhe)種亮(liang)(liang)度降低可能是產生(sheng)問題。

由于占(zhan)空(kong)時(shi)間定義(yi)了(le)每(mei)(mei)幀允許像素(su)(su)發光的時(shi)間長度(du)，所以它與顯(xian)(xian)示亮度(du)密切相(xiang)關。占(zhan)空(kong)時(shi)間為100％意(yi)味(wei)著顯(xian)(xian)示器(qi)連(lian)續發光。對于60Hz顯(xian)(xian)示器(qi)，這意(yi)味(wei)著每(mei)(mei)幀大約16ms。但在(zai)這樣長時(shi)間內顯(xian)(xian)示相(xiang)同的像素(su)(su)值(zhi)將導致運動偽影（“拖尾”）。比方(fang)(fang)說我們假設顯(xian)(xian)示器(qi)的水平視場是40度(du)，水平方(fang)(fang)面1280像素(su)(su)分(fen)辨率，以及每(mei)(mei)秒60度(du)的頭部旋(xuan)轉。在(zai)這種情況下，頭部大約每(mei)(mei)毫秒旋(xuan)轉2個(ge)像素(su)(su)。所以當占(zhan)空(kong)時(shi)間為16ms時(shi)，每(mei)(mei)個(ge)像素(su)(su)將在(zai)32個(ge)像素(su)(su)的長度(du)中產生“空(kong)間拖尾”（參見下圖(tu)）。

左右(you)兩邊為相(xiang)同(tong)的圖像，但右(you)圖出現了水平運動(dong)模糊。

但(dan)幸運的(de)是，在(zai)專心查看(kan)細(xi)節時，我們人類頭部會更加(jia)穩定，所(suo)以(yi)(yi)實(shi)際上AR顯示器通常可以(yi)(yi)接受4ms或更低的(de)像素占(zhan)空時間。

60Hz幀率的占空(kong)時間。左邊是(shi)16ms，右邊是(shi)4ms。

LCOS面(mian)板是由單(dan)獨的LED點亮(liang)(liang)，而這可以非常光亮(liang)(liang)，所以可以實(shi)現(xian)高透(tou)明度，占空(kong)時(shi)(shi)間(jian)低(di)于1ms（各顏色）的光亮(liang)(liang)顯(xian)(xian)示器(qi)。另一方面(mian)，OLED更暗(an)，所以當占空(kong)時(shi)(shi)間(jian)過短并且同時(shi)(shi)需要高透(tou)明度時(shi)(shi)，OLED顯(xian)(xian)示器(qi)很快就會出(chu)(chu)現(xian)多個問(wen)題。以上圖為(wei)例，當占空(kong)時(shi)(shi)間(jian)為(wei)16ms時(shi)(shi)，顯(xian)(xian)示器(qi)更亮(liang)(liang)，但(dan)會出(chu)(chu)現(xian)拖(tuo)影(ying)(ying)。當占空(kong)之間(jian)為(wei)4ms時(shi)(shi)，拖(tuo)影(ying)(ying)情況(kuang)會減(jian)少，但(dan)顯(xian)(xian)示器(qi)會過暗(an)。

當占空時間為4ms時：左邊是(shi)120Hz幀率，右(you)邊是(shi)240Hz。

當幀(zhen)率為(wei)60Hz（約(yue)16ms）時，4ms的絕對(dui)占(zhan)空(kong)時間(jian)將導致顯示(shi)像(xiang)素僅在約(yue)25％的時間(jian)內有效。結果(guo)，顯示(shi)亮度將降低四倍。如果(guo)顯示(shi)器以(yi)120Hz運(yun)行，4ms的占(zhan)空(kong)時間(jian)意味著像(xiang)素依然在大約(yue)50％的時間(jian)內發光。類似地(di)，240Hz可以(yi)實現約(yue)100％的占(zhan)空(kong)時間(jian)。但對(dui)于移(yi)動(dong)設(she)備及其顯示(shi)面板而言，這種(zhong)高幀(zhen)速率并(bing)不(bu)現實。

karrylady.cn 對比度

對(dui)比度(du)沒有正式的定(ding)義或衡量(liang)方法(fa)。但是，大多數人都(dou)能(neng)理解對(dui)比度(du)。簡單來說，對(dui)比度(du)描(miao)述了顯示器同時(shi)產生更亮和更暗像素的能(neng)力，如(ru)：

如果顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)器(qi)(qi)的(de)對(dui)比度較差，則無法(fa)同時顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)亮(liang)(liang)內容和暗(an)（透明(ming)）內容。根(gen)據(ju)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)器(qi)(qi)的(de)整體亮(liang)(liang)度，它要么(me)無法(fa)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)明(ming)亮(liang)(liang)區(qu)域，要么(me)本應為(wei)暗(an)（透明(ming)）的(de)區(qu)域沒有(you)變暗(an)。對(dui)于光學透視顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)器(qi)(qi)，透明(ming)度取代(dai)了黑色的(de)作用：在對(dui)比度差的(de)AR顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)器(qi)(qi)中，你可以(yi)看到透明(ming)區(qu)域顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)為(wei)深灰色。換句話說：只要AR顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)器(qi)(qi)不夠亮(liang)(liang)，對(dui)比度差的(de)負面影響同樣有(you)限。但隨著AR顯(xian)(xian)(xian)示(shi)(shi)器(qi)(qi)的(de)亮(liang)(liang)度提升，它們將(jiang)需要更(geng)高的(de)對(dui)比度。

對(dui)(dui)(dui)比(bi)度取決于顯示(shi)面板和光(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)統(tong)。LCOS往往具(ju)有低(di)對(dui)(dui)(dui)比(bi)度，通常(chang)是(shi)為1：100至1：200。OLED具(ju)有相對(dui)(dui)(dui)較高的對(dui)(dui)(dui)比(bi)度，可以達到1：karrylady.cn或更高，這就(jiu)是(shi)它們如今受(shou)到家用電(dian)視歡迎(ying)的原(yuan)因。但在兩種(zhong)情況下，光(guang)(guang)學(xue)元件（棱鏡，透鏡，波導(dao)）將導(dao)致(zhi)對(dui)(dui)(dui)比(bi)度的進一步(bu)降低(di)。例如對(dui)(dui)(dui)基于LCOS的系(xi)(xi)統(tong)而言，最終對(dui)(dui)(dui)比(bi)度很容易就(jiu)會低(di)于1：100。

karrylady.cn 均勻性和顏色質量

顏(yan)色(se)質量定(ding)義(yi)了(le)(le)顯示(shi)(shi)器能夠再(zai)現(xian)顏(yan)色(se)的準(zhun)確程度。例如，由(you)GPU渲染(ran)成紅色(se)的像素(su)會顯示(shi)(shi)屏中顯示(shi)(shi)為(wei)紅色(se)嗎？為(wei)了(le)(le)實現(xian)適當的色(se)彩再(zai)現(xian)，我們需要進(jin)行校準(zhun)（包括(kuo)伽瑪）。由(you)于AR顯示(shi)(shi)器通(tong)常(chang)是添加光線(xian)，所以感知(zhi)顏(yan)色(se)同時取(qu)決于虛擬內容所疊加的場景。

與對比度相同(tong)，顏色(se)(se)質量可能(neng)存(cun)在非(fei)常大的(de)差(cha)異，具(ju)體(ti)取決于(yu)顯示(shi)器的(de)位(wei)置：例(li)如，取決于(yu)它(ta)是位(wei)于(yu)顯示(shi)器的(de)左側還是右(you)側，像(xiang)素顏色(se)(se)看起(qi)來可能(neng)相當不同(tong)。這種偽影通常依賴于(yu)視圖，這意(yi)味著用戶瞳孔的(de)位(wei)置同(tong)樣會有影響(xiang)，并且(qie)需要眼動(dong)追蹤進行解決。

均勻性(xing)描述(shu)了位(wei)于(yu)(yu)不同顯(xian)(xian)示器位(wei)置(zhi)的像素(su)顏(yan)色變化：對(dui)于(yu)(yu)完(wan)美的顯(xian)(xian)示器，通過相同RGB值渲染的每(mei)個像素(su)看起來(lai)都完(wan)全相同。實際(ji)上(shang)，亮(liang)度，對(dui)比度，顏(yan)色和其(qi)他屬性(xing)取(qu)決于(yu)(yu)顯(xian)(xian)示器位(wei)置(zhi)以(yi)及查(cha)看像素(su)的角度。

盡管自由形式組(zu)合器（如(ru)Meta2）和(he)半反射(she)波(bo)導(dao)（如(ru)Lumus）的均(jun)勻(yun)性(xing)通(tong)常都非(fei)常好，但衍射(she)波(bo)導(dao)顯示器（如(ru)Hololens和(he)MagicLeap）明顯受到(dao)均(jun)勻(yun)性(xing)問題的影(ying)響。這種充滿(man)中等灰(hui)度(du)像素級數的顯示器會(hui)出現各(ge)種色(se)調(diao)（見下圖）。

衍射波導(dao)的顏色問題。顯示(shi)器會出現各種(zhong)色調(diao)(diao)，而非均(jun)勻的白色或(huo)灰(hui) ** 調(diao)(diao)。底部明(ming)顯出現了亮度不均(jun)勻

karrylady.cn 分辨率

顯(xian)示(shi)分辨率描述了可以顯(xian)示(shi)多少不同的(de)像素。這是一個有著(zhu)眾多文章介紹的(de)屬(shu)性之一。顯(xian)示(shi)分辨率的(de)最終目標是達(da)到(dao)人類視覺極限或略微超過(guo)大約(yue)一弧分（1/60度(du)）。

由于市場對提(ti)升規格的(de)(de)需求，今(jin)(jin)天大多數智(zhi)能手機(ji)的(de)(de)分辨(bian)(bian)率(lv)遠(yuan)高于人眼(yan)在(zai)正常情況所(suo)能感知(zhi)的(de)(de)分辨(bian)(bian)率(lv)。例如在(zai)40厘(li)米遠(yuan)查看顯(xian)示(shi)屏尺寸為(wei)(wei)14厘(li)米的(de)(de)智(zhi)能手機(ji)，這意(yi)味著手機(ji)屏幕在(zai)人眼(yan)視場范圍內大約為(wei)(wei)20度，所(suo)以長邊不需要(yao)超過(guo)1200像素。但是，今(jin)(jin)天依(yi)然有一系列的(de)(de)智(zhi)能手機(ji)的(de)(de)顯(xian)示(shi)分辨(bian)(bian)率(lv)要(yao)比這個數字(zi)高出50%。

視場為30度(du)(du)×20度(du)(du)的AR顯示(shi)器(qi)大約(yue)需要1800×1200像素(su)。但今(jin)天的VR顯示(shi)器(qi)位于(yu)90度(du)(du)×60度(du)(du)的范圍內，所以實現人眼極限需要5400×3600像素(su)。這意味(wei)著每秒(miao)(miao)生成和(he)顯示(shi)大約(yue)20萬像素(su)75次，或每秒(miao)(miao)15億像素(su)……

對于智能手(shou)機(ji)，用(yong)戶(hu)直接看(kan)著屏幕（忽略手(shou)機(ji)膜）。所以沒有光(guang)(guang)學(xue)元件會以負面(mian)(mian)方式影(ying)響顯(xian)示(shi)(shi)面(mian)(mian)板(ban)提供的(de)(de)像(xiang)素質量(liang)。對于AR和VR設備，盡管復(fu)雜的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)系統(tong)是位于用(yong)戶(hu)眼(yan)睛和顯(xian)示(shi)(shi)面(mian)(mian)板(ban)之間，但它們會嚴重降(jiang)低圖(tu)像(xiang)質量(liang)。感知分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率（到(dao)達眼(yan)睛的(de)(de)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率）可(ke)以顯(xian)著低于顯(xian)示(shi)(shi)面(mian)(mian)板(ban)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率。正如Karl Guttag所說，MagicLeap One的(de)(de)有效分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率僅為其面(mian)(mian)板(ban)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率的(de)(de)一半。類似(si)地，Hololens顯(xian)示(shi)(shi)器在從LCOS到(dao)眼(yan)睛的(de)(de)光(guang)(guang)路中損失了(le)大量(liang)的(de)(de)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率。

所以(yi)，只要光學系(xi)統是顯示面板的(de)限制因素，分辨率通常沒有什么意義。

karrylady.cn 真實世(shi)界畸變

對(dui)于光學(xue)透視顯示器，用戶是通過顯示器的光學(xue)元(yuan)件感知現實(shi)世界。在大多數AR設備中，所(suo)述(shu)元(yuan)件構成了下(xia)面的子集(ji)：

顯示(shi)視覺增強所需的(de)(de)(de)虛(xu)擬(ni)圖像的(de)(de)(de)波導，如(ru)HoloLens。或者將投影圖像反(fan)射到眼睛的(de)(de)(de)自由(you)形(xing)式組合器，如(ru)Meta2。設備外(wai)部(bu)的(de)(de)(de)面罩用于(yu)保護電子元(yuan)件(jian)和光學元(yuan)件(jian)。將虛(xu)擬(ni)圖像焦平面從無(wu)限遠移動到更(geng)為(wei)可行位置的(de)(de)(de)推/拉透鏡，如(ru)2米（如(ru)DAQRI S ** rt Glasses的(de)(de)(de)反(fan)射波導）。在一側(ce)或兩側(ce)保護脆弱波導的(de)(de)(de)附(fu)加塑料，如(ru)Hololens。

其中一些(xie)元件具有額外的(de)，不(bu)受待(dai)見(jian)的(de)光(guang)(guang)學屬性。例如，波導以將光(guang)(guang)線(xian)(xian)彎曲（引(yin)導）到(dao)正確的(de)方(fang)向，但它同時會影響真實(shi)世(shi)界的(de)光(guang)(guang)線(xian)(xian)，而理想(xiang)情況(kuang)下光(guang)(guang)線(xian)(xian)不(bu)應該受到(dao)影響。類似地，面罩或推(tui)/拉透(tou)鏡(jing)的(de)設(she)計或由于(yu)有限(xian)的(de)質(zhi)量而使光(guang)(guang)線(xian)(xian)變形。

當然，大(da)家都希(xi)望能(neng)(neng)(neng)夠盡可能(neng)(neng)(neng)少(shao)地(di)扭曲現實世界視點，但在實踐中，限制重量和成本的愿望需要可能(neng)(neng)(neng)會產生明顯偽影的妥協。

karrylady.cn 虛擬圖像畸變

光(guang)學(xue)工程師(shi)旨在(zai)(zai)設計一種有著最大可能圖(tu)像質(zhi)量(liang)(liang)的(de)光(guang)學(xue)路徑，而這同時包括最小化(hua)(hua)畸變(bian)：在(zai)(zai)完美的(de)示例中(zhong)(zhong)，顯(xian)示面板的(de)矩形像素網格將顯(xian)示為(wei)等量(liang)(liang)矩形像素網格。在(zai)(zai)諸如看著矩形智能手機(ji)這樣的(de)直接視(shi)圖(tu)場(chang)景中(zhong)(zhong)，這一點很少有納入考慮(lv)。在(zai)(zai)諸如AR顯(xian)示器這樣的(de)復雜光(guang)學(xue)設置中(zhong)(zhong)，為(wei)了優化(hua)(hua)其他參數，圖(tu)像畸變(bian)通常(chang)成為(wei)需(xu)要忍住的(de)要素。

幸運的是，與現實(shi)世(shi)界畸變(bian)相(xiang)比，只要顯(xian)示器合理校準(zhun)(zhun)（畸變(bian)很大(da)程度上是取(qu)決于(yu)視圖），虛擬(ni)內容(rong)的畸變(bian)可(ke)以(yi)有(you)效地進行解(jie)決。通過恰(qia)當的校準(zhun)(zhun)，所述畸變(bian)可(ke)以(yi)作為渲染(ran)管道的一部(bu)分(fen)進行處(chu)理，而處(chu)理成本很低(di)或(huo)者為零。不過，取(qu)決于(yu)系統的光學畸變(bian)量，這可(ke)以(yi)帶(dai)來(lai)顯(xian)著的偽(wei)影，比方(fang)說(shuo)特定區域的顯(xian)示分(fen)辨率出現大(da)幅降低(di)。

通(tong)常(chang)來說，波導的(de)(de)畸(ji)變相當(dang)低(di)，這(zhe)樣(yang)(yang)至(zhi)少消(xiao)費者用例可(ke)(ke)能會(hui)予以(yi)忽略(lve)（沒有通(tong)過(guo)數字方式進行(xing)校準和校正）。自(zi)由空間(jian)組合器(qi)（和VR顯(xian)示器(qi)一(yi)樣(yang)(yang)）通(tong)常(chang)會(hui)生(sheng)成需要進行(xing)恰(qia)當(dang)處理的(de)(de)嚴重畸(ji)變。由于(yu)畸(ji)變圖(tu)像(xiang)非(fei)常(chang)不規則，所以(yi)顯(xian)示面(mian)板的(de)(de)有效區域可(ke)(ke)能同樣(yang)(yang)會(hui)減少。下(xia)圖(tu)是自(zi)由空間(jian)設計的(de)(de)示例性畸(ji)變網格(ge)。可(ke)(ke)以(yi)注意到，網格(ge)的(de)(de)一(yi)部(bu)分落在顯(xian)示面(mian)板之外，并且用戶不能觀察到顯(xian)示面(mian)板的(de)(de)一(yi)部(bu)分（沒有網格(ge)的(de)(de)黑 ** 域）。 下(xia)圖(tu)同時說明了頂部(bu)和底部(bu)之間(jian)的(de)(de)分辨率(lv)差異。

自由(you)空(kong)間組合器的示例性失真。圖(tu)片是沿(yan)到顯示面板的光(guang)路(lu)追蹤矩形網格圖(tu)像生成。

karrylady.cn 人眼安全(quan)

在談論AR顯(xian)(xian)示器時，兩種類型的人眼(yan)(yan)安全十(shi)分重要：確(que)保(bao)眼(yan)(yan)睛(jing)不受(shou)AR顯(xian)(xian)示器的影(ying)響；確(que)保(bao)AR顯(xian)(xian)示器保(bao)護眼(yan)(yan)睛(jing)免受(shou)外部(bu)傷害。

確保眼睛不(bu)(bu)受AR顯示(shi)(shi)器(qi)(qi)傷(shang)害聽起(qi)來像(xiang)是不(bu)(bu)費吹灰之(zhi)力(li)。顯然，任何產品都必須滿足(zu)這個要(yao)求(qiu)。但(dan)對于距(ju)離最脆弱的(de)人體器(qi)(qi)官僅幾厘米的(de)近(jin)眼顯示(shi)(shi)器(qi)(qi)而言，我們必須特別小心。這變得(de)尤為(wei)重要(yao)，因為(wei)大多數(shu)AR顯示(shi)(shi)器(qi)(qi)是將玻(bo)(bo)璃(li)元(yuan)件(jian)作(zuo)為(wei)光學(xue)堆疊的(de)一部分。在發生(sheng)撞(zhuang)擊時，玻(bo)(bo)璃(li)元(yuan)件(jian)可(ke)能(neng)會破碎并傷(shang)害用戶。所(suo)以(yi)，我們需(xu)要(yao)將所(suo)有玻(bo)(bo)璃(li)元(yuan)件(jian)整合至不(bu)(bu)易破碎的(de)護蓋(gai)之(zhi)中。

盡管這聽起來十分明顯，但事實并非總是(shi)如(ru)此。例如(ru)，最近發布(bu)的聯想ThinkReality就把反射性波導波導直(zhi)接放(fang)在(zai)用戶眼(yan)睛前面(mian)，沒有任(ren)何護蓋。由于這種波導是(shi)由眾多以水(shui)平(ping)條紋粘在(zai)一起的小玻璃元(yuan)件(jian)構成，所以它們很容易損(sun)壞并對用戶造成傷(shang)害。

保護(hu)(hu)眼(yan)睛免受外界(jie)傷(shang)害(hai)通常只商業(ye)和工(gong)業(ye)環境(jing)中的(de)要求。對于所(suo)述領域(yu)，諸如ANSI karrylady.cn之(zhi)類的(de)眼(yan)睛保護(hu)(hu)安全標(biao)準描規定了評為安全眼(yan)鏡所(suo)需承受的(de)力類型(xing)。

karrylady.cn 適眼距

與視窗相同，適眼距沒有通用(yong)的定(ding)(ding)義(yi)。簡(jian)單來說，它(ta)是(shi)指瞳孔到AR顯示器最近(jin)點的支(zhi)持距離。由于并非(fei)所有用(yong)戶都具有相同的頭(tou)形，所以在實(shi)踐中需(xu)要支(zhi)持一定(ding)(ding)范圍的適眼距，從而限定(ding)(ding)視窗的厚(hou)度（沿(yan)著觀察方向）。

適(shi)眼距是瞳孔到(dao)光學(xue)表(biao)面最近(jin)點的距離

通常來(lai)說，優選足(zu)夠支持常規(gui)眼(yan)鏡的(de)(de)(de)適眼(yan)距，這樣存在視力問題(ti)的(de)(de)(de)用戶就(jiu)無需(xu)購買(mai)定(ding)制透鏡。但如前所述，視窗(chuang)實際上(shang)不是(shi)一個方形，而是(shi)圓錐形，并(bing)且會隨著(zhu)顯示(shi)器的(de)(de)(de)距離變大而變薄。所以，支撐大適眼(yan)距，以及寬度和高度足(zu)夠大的(de)(de)(de)視窗(chuang)非常具有(you)挑戰(zhan)性。

karrylady.cn 外圍視(shi)覺

當(dang)談到AR眼鏡(jing)時(shi)，我(wo)們(men)(men)關(guan)注的(de)(de)不僅只是一個視(shi)(shi)場(chang)，而是兩個視(shi)(shi)場(chang)：AR眼鏡(jing)用于顯示虛(xu)擬內(nei)容的(de)(de)可(ke)視(shi)(shi)覺(jue)增(zeng)強區(qu)(qu)域，這是大多(duo)數文章和規范所(suo)指的(de)(de)視(shi)(shi)場(chang)；但人類可(ke)以感知的(de)(de)視(shi)(shi)場(chang)范圍要大于當(dang)前AR顯示器的(de)(de)可(ke)視(shi)(shi)覺(jue)增(zeng)強區(qu)(qu)域，而我(wo)們(men)(men)將可(ke)視(shi)(shi)覺(jue)增(zeng)強區(qu)(qu)域之外的(de)(de)視(shi)(shi)場(chang)稱為外圍視(shi)(shi)場(chang)。另外，我(wo)們(men)(men)需要確保(bao)不能過分遮擋外圍視(shi)(shi)場(chang)。

人類視(shi)場是(shi)單眼約(yue)150度(du)×120度(du)，雙眼加(jia)起(qi)來是(shi)220度(du)×120度(du)。將顯示器(qi)放在(zai)(zai)眼睛前面會造成(cheng)額外的遮(zhe)擋(dang)，所以一(yi)個重要的設計目標是(shi)將這種(zhong)遮(zhe)擋(dang)保持在(zai)(zai)最(zui)低限度(du)。下面是(shi)人眼視(shi)圖（綠色），無遮(zhe)擋(dang)視(shi)圖（紅(hong)色）和可視(shi)覺(jue)增強(qiang)視(shi)圖（藍色）的尺寸對比(bi)示意(yi)圖。為簡單起(qi)見，所有區域都繪制(zhi)為矩形。

人類視(shi)(shi)場(chang)（綠(lv)色）與(yu)AR設(she)備的(de)示例性視(shi)(shi)場(chang)和實際視(shi)(shi)覺增強視(shi)(shi)圖進行(xing)比較(jiao)。綠(lv)色和紅色之間(jian)的(de)區域(yu)(yu)表示設(she)備所遮擋(dang)的(de)視(shi)(shi)場(chang)。紅色和藍色之間(jian)的(de)區域(yu)(yu)表示用戶可以感知的(de)真實環境區域(yu)(yu)，但無法進行(xing)視(shi)(shi)覺增強。

因此，除(chu)了最(zui)大化可視覺(jue)增強視場（藍 ** 域）之外(wai)，第二個目(mu)標(biao)是最(zui)大化非(fei)遮(zhe)擋(dang)視場（紅 ** 域）。要(yao)做到這(zhe)一(yi)點，任何遮(zhe)擋(dang)視圖的元(yuan)素(su)都需要(yao)向(xiang)外(wai)拉。這(zhe)包括顯(xian)示器部分(fen)（如投影儀），以及(ji)諸如傳感器這(zhe)樣的元(yuan)件或諸如鏡臂這(zhe)樣的支撐結構。

與(yu)上面的(de)(de)(de)簡(jian)化示例圖不同(tong)，實(shi)際(ji)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)場不是矩形(xing)。如下圖所示，視(shi)(shi)場主(zhu)要受眉毛(mao)，鼻子和臉頰的(de)(de)(de)限制(zhi)：紅色和黃色的(de)(de)(de)組(zu)合區(qu)域描繪了(le)左眼(yan)視(shi)(shi)場。類似地，綠色和黃 ** 域描繪了(le)右眼(yan)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)場。黃 ** 域則描繪了(le)雙(shuang)眼(yan)重(zhong)疊，亦即雙(shuang)眼(yan)都可(ke)以觀察(cha)到的(de)(de)(de)視(shi)(shi)場。

左(zuo)圖(tu)：左(zuo)眼和右(you)眼的(de)人類(lei)視場(chang)；右(you)圖(tu)：左(zuo)圖(tu)是通過使(shi)用(yong)虛擬(ni)頭部模型進行光(guang)線(xian)投射生成。

karrylady.cn 色差(cha)

透鏡的(de)(de)(de)折射率隨光(guang)波長而變化，這導(dao)致不(bu)同的(de)(de)(de)“顏(yan)色相關”焦距。在(zai)相機中(zhong)(zhong)，這一(yi)般是通(tong)過(guo)組合多個透鏡來進(jin)行補償，但由于(yu)(yu)尺寸(cun)限制(zhi)，這對AR顯示器(qi)而言通(tong)常是不(bu)可能的(de)(de)(de)事情。所以，色差是AR顯示器(qi)中(zhong)(zhong)引人注目的(de)(de)(de)問題。盡管(guan)可以在(zai)軟件中(zhong)(zhong)校正一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)像差（通(tong)過(guo)適當的(de)(de)(de)校準），但其他效(xiao)果更難(nan)以解決(jue)（取決(jue)于(yu)(yu)視圖）或(huo)者(zhe)不(bu)能校正。一(yi)如既往(wang)，最佳的(de)(de)(de)途徑是盡可能地(di)以光(guang)學(xue)方(fang)式而非數字方(fang)式來減少偽影。

左圖：紅色和藍(lan)色由(you)于色差而分解；右圖：通(tong)(tong)過相應地扭(niu)曲(qu)每個顏(yan)色通(tong)(tong)道進(jin)行數(shu)字校(xiao)正。

karrylady.cn 深度感(gan)知(zhi)

有多種(zhong)人類視覺(jue)(jue)線(xian)索可以(yi)允許我們(men)感知深(shen)度。對于AR顯示(shi)器(qi)，兩(liang)個最(zui)重要的(de)線(xian)索是視覺(jue)(jue)輻輳(cou)（眼睛旋轉以(yi)觀察(cha)相同的(de)對象）和視覺(jue)(jue)調節(jie)（瞳(tong)孔聚(ju)焦對象）。它(ta)們(men)是神經耦合，而不匹(pi)配的(de)視覺(jue)(jue)輻輳(cou)和視覺(jue)(jue)調節(jie)會造成用戶不適，亦即所謂的(de)視覺(jue)(jue)輻輳(cou)調節(jie)沖突（VAC）。

大(da)多數人在觀看3D電影(ying)時都會注(zhu)意到(dao)VAC：盡(jin)管焦(jiao)點(dian)永遠不會改變（電視或投影(ying)屏幕不會移動……），但由于我(wo)們(men)的眼睛看到(dao)略有不同的圖像(xiang)（立體內容），我(wo)們(men)依然(ran)能(neng)夠感受到(dao)3D效果。在電影(ying)院中，焦(jiao)平面由房間設置(zhi)給出：如果你(ni)所坐的位置(zhi)距離投影(ying)墻10米(mi)，焦(jiao)平面就(jiu)固定為10米(mi)。在這(zhe)個距離下(xia)，人類(lei)幾乎不能(neng)根據(ju)瞳孔焦(jiao)點(dian)區分(fen)距離。所以，只要立體內容停留在這(zhe)個距離或更遠，畫面看起來就(jiu)會自然(ran)。

對于AR顯示(shi)器(qi)，焦(jiao)平(ping)面(mian)是(shi)光學(xue)路(lu)徑的(de)設計參數：即便顯示(shi)器(qi)與眼睛的(de)距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)只(zhi)有幾(ji)厘(li)米(mi)，焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)(ju)平(ping)面(mian)都總是(shi)設置得(de)更(geng)遠，因為人類(lei)無(wu)法聚(ju)焦(jiao)于這么短的(de)距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)，而且這沒有任何(he)意(yi)義(yi)，因為虛(xu)擬內容會(hui)出現在更(geng)遠距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)。

下(xia)面的(de)圖例說(shuo)明了正常(chang)(chang)(chang)視(shi)(shi)圖，虛擬現實(shi)和增強現實(shi)之(zhi)間的(de)差(cha)異：在正常(chang)(chang)(chang)視(shi)(shi)覺(jue)(jue)輻輳和視(shi)(shi)覺(jue)(jue)調(diao)節(jie)同(tong)(tong)步(bu)的(de)情況(kuang)下(xia)，兩(liang)者(zhe)都調(diao)整(zheng)到相同(tong)(tong)的(de)距(ju)離(li)；對于(yu)(yu)虛擬現實(shi)，視(shi)(shi)覺(jue)(jue)輻輳始(shi)終(zhong)位于(yu)(yu)相同(tong)(tong)的(de)距(ju)離(li)（通常(chang)(chang)(chang)約為兩(liang)米(mi)），而視(shi)(shi)覺(jue)(jue)調(diao)節(jie)取決于(yu)(yu)以(yi)立體形(xing)式(shi)渲染的(de)屏(ping)幕內(nei)容(rong)；對于(yu)(yu)增強現實(shi)，兩(liang)者(zhe)的(de)沖(chong)突甚(shen)至可以(yi)更大：通過虛擬內(nei)容(rong)增強的(de)對象看起來(lai)是與視(shi)(shi)覺(jue)(jue)調(diao)節(jie)同(tong)(tong)步(bu)，但(dan)對于(yu)(yu)真實(shi)對象和虛擬對象的(de)視(shi)(shi)覺(jue)(jue)輻輳可能非常(chang)(chang)(chang)不(bu)同(tong)(tong)。

理想情況下，我們能夠為每個像素(su)選擇不同的焦距，而且行業已經演(yan)示了(le)朝這個方向(xiang)發展的實(shi)驗系(xi)統。但(dan)是，這種(zhong)系(xi)統需要非常長的時間才能達到商用水平。

正常視圖(tu)（左），虛擬現(xian)(xian)實(shi)（中(zhong)）和增強現(xian)(xian)實(shi)（右）的視覺(jue)輻(fu)輳和視覺(jue)調節

如果我們必(bi)須使用單(dan)個焦平面(mian)(mian)的AR顯示器(qi)(qi)，設計師就需要決定放(fang)置(zhi)它的位(wei)置(zhi)。最適合大多數場(chang)景的情(qing)況似(si)乎是2米(mi)左右(you)。焦平面(mian)(mian)應該為(wei)大致(zhi)平坦且對(dui)所(suo)有(you)顏(yan)色相同。這不(bu)是一個簡單(dan)的設計目標，所(suo)以在(zai)測(ce)量今天的AR顯示器(qi)(qi)時(shi)，你會(hui)注意(yi)到實(shi)際的焦點“平面(mian)(mian)”既不(bu)平坦，對(dui)所(suo)有(you)顏(yan)色也不(bu)相同。

karrylady.cn 尺寸，重量和形狀參數

顯示器(qi)尺寸和眼(yan)鏡尺寸是當今(jin)AR設備最具挑戰性的(de)設計參(can)數之一。由(you)于要求(qiu)大視(shi)場和大視(shi)窗，所以很難令顯示器(qi)變小。這就(jiu)像要求(qiu)一輛小型卡車(che)同時具備大卡車(che)的(de)運載噸位。大型顯示器(qi)會導(dao)致整體體積龐(pang)大，從而又造成AR眼(yan)鏡實用(yong)性較差。眼(yan)鏡越(yue)大，用(yong)戶越(yue)容易撞到什么。

另外，較大(da)的(de)顯示器通常會(hui)導致更重(zhong)的(de)光學元件。由(you)于質量和折射率要求(qiu)，當今AR顯示器的(de)眾多(duo)光學元件都是(shi)由(you)玻璃制成，而隨著尺寸(cun)的(de)增加，玻璃很(hen)快就會(hui)變得太重(zhong)。

在2018年舉行的(de)Oculus Connect 5大(da)會(hui)中(zhong)，邁克(ke)爾·亞伯拉什指出AR眼鏡的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)不(bu)(bu)應該超過70克(ke)。尺寸和重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)不(bu)(bu)是(shi)獨立于其(qi)他屬性(xing)的(de)參數。人體頭(tou)部可以舒適地承(cheng)受比70克(ke)更(geng)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)（如果重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分布均(jun)勻）。盡管(guan)承(cheng)受很(hen)輕的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)都會(hui)很(hen)快造成鼻梁受傷(shang)，但耳朵可以承(cheng)受更(geng)多(duo)的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)，而且(qie)頭(tou)頂更(geng)加堅(jian)硬。重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分布比重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)本身更(geng)為重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)要。例(li)如，Meta2眼鏡不(bu)(bu)是(shi)很(hen)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，但由于糟糕的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)分布，它給前額施加了非常大(da)的(de)壓力。

karrylady.cn 光(guang)學效率

光(guang)學效率是(shi)指發(fa)光(guang)元件所發(fa)出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)線有(you)多(duo)少實際(ji)到(dao)達用戶眼睛(jing)。令人驚訝的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，今(jin)天(tian)大(da)(da)多(duo)數基于波導(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯示(shi)器(qi)在光(guang)學效率方(fang)面都非常低，大(da)(da)部(bu)分僅為(wei)約百分之一。幸運的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，組(zu)合LCOS和LED的(de)(de)(de)(de)(de)(de)投(tou)影儀足夠亮(liang)，可(ke)以(yi)(yi)(yi)為(wei)波導(dao)提供(gong)足夠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)量。所以(yi)(yi)(yi)，OLED不是(shi)當今(jin)波導(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)選擇。另(ling)一方(fang)面，對于組(zu)合器(qi)顯示(shi)器(qi)（如Meta2），我們可(ke)以(yi)(yi)(yi)通過組(zu)合器(qi)元件具有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)透明度來很好地控制光(guang)學效率：組(zu)合器(qi)反(fan)射(she)(she)率越高，它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)學效率就越高。但(dan)這同時會(hui)反(fan)射(she)(she)更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)光(guang)，所以(yi)(yi)(yi)到(dao)達眼睛(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)光(guang)更(geng)少（透明度降低）。

波(bo)導是(shi)今天占(zhan)主導地位的(de)AR顯(xian)示技術。由(you)于(yu)LCOS十分光(guang)亮但存在低(di)對比度問題，而(er)有(you)著高對比度的(de)OLED則(ze)存在低(di)亮度問題，大多數(shu)人把目光(guang)投(tou)向(xiang)了微(wei)(wei)型(xing)LED，因(yin)為這(zhe)種類(lei)型(xing)的(de)顯(xian)示器(qi)有(you)望實現更高的(de)亮度水平。行(xing)業(ye)已經(jing)演(yan)示了分辨率(lv)和尺寸足以支(zhi)持AR顯(xian)示器(qi)的(de)微(wei)(wei)型(xing)LED面(mian)(mian)板，但迄今為止都只(zhi)是(shi)單色面(mian)(mian)板。要實現支(zhi)持全RGB的(de)類(lei)似規格面(mian)(mian)板，行(xing)業(ye)尚需多年(nian)的(de)時間發展。

karrylady.cn 延遲

運(yun)(yun)動(dong)到光子延(yan)遲(chi)定義了從(cong)出現(xian)一個事件（運(yun)(yun)動(dong)）到顯示器(qi)顯示相應(ying)更新(xin)所需的時(shi)間。例如(ru)，當用戶將頭部向右(you)旋轉(zhuan)時(shi)，顯示器(qi)索顯示的內容(rong)必須相應(ying)地(di)“向左移(yi)動(dong)”。對(dui)AR而言，延(yan)遲(chi)不(bu)是(shi)一個經(jing)過充分研究的主題，這主要是(shi)因為(wei)行業直到最近才實現(xian)了具有(you)足夠(gou)低延(yan)遲(chi)的系(xi)統。但人們普遍認為(wei)，對(dui)于光學透視(shi)顯示器(qi)，5毫秒或更短的延(yan)遲(chi)已(yi)經(jing)足夠(gou)。

由于(yu)延遲問(wen)題，標(biao)注在快速頭部運動(dong)(dong)期(qi)間可能會從清(qing)晰位(wei)(wei)置（左(zuo)側(ce)(ce)）移動(dong)(dong)到不清(qing)晰的位(wei)(wei)置或(huo)錯誤位(wei)(wei)置（右側(ce)(ce)）。

除了(le)算法(fa)和(he)(he)其他電子(zi)(zi)組(zu)件，延(yan)遲主(zhu)(zhu)要是(shi)(shi)受顯(xian)示(shi)面板(ban)（OLED，LCOS）和(he)(he)顯(xian)示(shi)協(xie)議（MIPI，DisplayPort，HDMI）影響(xiang)(xiang)。延(yan)遲和(he)(he)顯(xian)示(shi)面板(ban)的(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)是(shi)(shi)一個復(fu)雜的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)題，因為它對電子(zi)(zi)組(zu)件和(he)(he)軟件設計產生了(le)巨大的(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)。例如，執行(xing)線(xian)序(xu)（“滾動”）更(geng)新的(de)(de)(de)OLED和(he)(he)執行(xing)色序(xu)（“全局(ju)”）更(geng)新的(de)(de)(de)LCOS有著完全不同(tong)的(de)(de)(de)數據傳輸(shu)和(he)(he)運動補償(chang)策(ce)略。

karrylady.cn 雜(za)散(san)光

大多(duo)數用戶和眼(yan)鏡(jing)廠商(shang)都渴(ke)望一種形狀與太陽眼(yan)鏡(jing)類似的(de)AR眼(yan)鏡(jing)。盡(jin)管這聽起來十(shi)分簡(jian)單，但人們經常會忽視(shi)一個問(wen)題：雜散光。

AR眼(yan)鏡(jing)(jing)的(de)(de)敞開(kai)程度(du)越高，越多(duo)(duo)來至多(duo)(duo)余方(fang)向和光(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)就能夠進(jin)入系統(tong)。盡管(guan)AR顯(xian)示(shi)器通常(chang)(chang)能夠很好地應對(dui)(dui)來自(zi)前方(fang)的(de)(de)環(huan)境光(guang)(guang)(guang)，但(dan)來自(zi)側面(mian)(mian)或用戶后(hou)方(fang)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)會引起(qi)嚴(yan)重問(wen)題。常(chang)(chang)規眼(yan)鏡(jing)(jing)通常(chang)(chang)不(bu)會反(fan)(fan)射(she)太多(duo)(duo)光(guang)(guang)(guang)線(xian)，所(suo)以(yi)問(wen)題不(bu)大。但(dan)AR顯(xian)示(shi)器必須反(fan)(fan)射(she)和彎曲光(guang)(guang)(guang)線(xian)，所(suo)以(yi)更容易受到雜(za)散光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)影響(xiang)。衍(yan)射(she)波導特別受其(qi)影響(xiang)，來自(zi)側面(mian)(mian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線(xian)會議彩虹(hong)偽影的(de)(de)形式出現在顯(xian)示(shi)器（參見下面(mian)(mian)的(de)(de)右圖）。反(fan)(fan)射(she)波導的(de)(de)性能更好，但(dan)同樣存在這方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)問(wen)題。某些設計(ji)可以(yi)減少雜(za)散光(guang)(guang)(guang)，但(dan)對(dui)(dui)于(yu)其(qi)他設計(ji)而言，這個問(wen)題不(bu)像衍(yan)射(she)技術那(nei)樣容易解決。

左圖(tu)：來自兩(liang)邊(bian)的(de)雜(za)散(san)光正(zheng)反射(she)進入用(yong)戶眼(yan)睛；右(you)圖(tu)：因雜(za)散(san)光造成的(de)偽影

karrylady.cn 視覺舒適(shi)度(du)

在(zai)過去五十年間(jian)(jian)的(de)頭顯發(fa)展(zhan)中，業界投入了(le)大(da)量的(de)努力來(lai)解決人類(lei)因素(su)問(wen)題(ti)，尤其(qi)是立體圖形顯示(shi)器(qi)。視(shi)(shi)覺輻(fu)輳和視(shi)(shi)覺調節(jie)是一(yi)個眾所周知的(de)問(wen)題(ti)，另(ling)外還存在(zai)與雙眼(yan)視(shi)(shi)覺相(xiang)關(guan)的(de)其(qi)他問(wen)題(ti)，而(er)它們會(hui)對舒適性產生巨大(da)影響。其(qi)中一(yi)個是被稱為雙目(mu)垂(chui)(chui)直角差(cha)(cha)。當(dang)雙目(mu)顯示(shi)器(qi)之(zhi)間(jian)(jian)存在(zai)垂(chui)(chui)直視(shi)(shi)差(cha)(cha)或傾斜時，雙目(mu)垂(chui)(chui)直角差(cha)(cha)就會(hui)出(chu)(chu)現。人類(lei)視(shi)(shi)覺系統難以忍受這一(yi)問(wen)題(ti)，并(bing)且可能會(hui)導(dao)致頭暈(yun)，惡心，甚至(zhi)嘔吐。有(you)時人們認(ren)為視(shi)(shi)覺輻(fu)輳調節(jie)沖突是造成這種癥狀的(de)原因，但實際上這是顯示(shi)器(qi)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)輕微(wei)錯位。1986年的(de)美(mei)國海軍訓練(lian)文本指出(chu)(chu)，為了(le)避(bi)免眼(yan)睛疲勞，雙目(mu)鏡筒(tong)軸的(de)垂(chui)(chui)直偏(pian)差(cha)(cha)δ不應(ying)超過2弧分。

圖像(xiang)(xiang)的垂直偏差(cha)，亦(yi)即(ji)雙目(mu)垂直角差(cha)。這可能(neng)會導致用戶不適。右眼需要(yao)稍微旋轉(zhuan)才能(neng)整合的雙目(mu)圖像(xiang)(xiang)。

另一個可(ke)以(yi)影響舒適(shi)(shi)度的(de)(de)(de)領域是雙目重(zhong)(zhong)疊(die)(die)量。例如(ru)，不必(bi)將左(zuo)右(you)圖(tu)像(xiang)場完(wan)全重(zhong)(zhong)疊(die)(die)。實(shi)際上(shang)，通過(guo)故意不重(zhong)(zhong)疊(die)(die)雙目顯示(shi)來增加有(you)效視(shi)場是一種(zhong)(zhong)常(chang)見的(de)(de)(de)做法，這主要有(you)兩種(zhong)(zhong)方式：眼(yan)睛(jing)發散重(zhong)(zhong)疊(die)(die)和眼(yan)睛(jing)會聚(ju)重(zhong)(zhong)疊(die)(die)。通常(chang)，人類(lei)視(shi)覺系統可(ke)以(yi)容(rong)忍這種(zhong)(zhong)情(qing)況，因(yin)為由于鼻子的(de)(de)(de)影響，左(zuo)眼(yan)和右(you)眼(yan)看到(dao)的(de)(de)(de)現(xian)實(shi)世界(jie)圖(tu)像(xiang)不完(wan)全重(zhong)(zhong)疊(die)(die)。但在產生不適(shi)(shi)之(zhi)前，用(yong)戶(hu)(hu)之(zhi)間有(you)著不同程度的(de)(de)(de)部分重(zhong)(zhong)疊(die)(die)。90％的(de)(de)(de)部分重(zhong)(zhong)疊(die)(die)可(ke)以(yi)接受，而當重(zhong)(zhong)疊(die)(die)減少(shao)到(dao)70％時，表示(shi)不適(shi)(shi)的(de)(de)(de)用(yong)戶(hu)(hu)數量有(you)所增加。

部分重(zhong)疊(die)：左圖(tu)是(shi)眼睛發(fa)散部分重(zhong)疊(die)；右圖(tu)是(shi)眼睛會聚部分重(zhong)疊(die)

質(zhi)量中心是另(ling)一(yi)個重要(yao)(yao)元素。盡管不是非視覺要(yao)(yao)素，但不適當的設計(ji)可能會給用戶(hu)帶來(lai)不必要(yao)(yao)的頸部不適。需要(yao)(yao)合理安排(pai)顯示(shi)組件和驅動電子的放(fang)置，這可以幫助(zhu)最小化重心的任(ren)何偏移。如果(guo)用戶(hu)需要(yao)(yao)在一(yi)定角(jiao)度范圍內向上和向下查(cha)看，這可能是十分關鍵(jian)的一(yi)點。

3. 其他？

除(chu)了本文(wen)探討(tao)的(de)話題之外，還存在尚(shang)未進入商業(ye)系統的(de)其他光(guang)學設計(ji)選項。今天大多數(shu)設備都能(neng)(neng)夠(gou)在固定距離顯(xian)示一(yi)個(ge)焦(jiao)平面。Magic Leap One則更進一(yi)步(bu)，能(neng)(neng)夠(gou)顯(xian)示兩(liang)(liang)個(ge)焦(jiao)平面，但(dan)在顯(xian)示器質量和透明(ming)度(du)方(fang)(fang)面付出了巨(ju)大的(de)代(dai)價。然而，人類(lei)能(neng)(neng)夠(gou)區分大約十二種(zhong)焦(jiao)距，而目前的(de)方(fang)(fang)法只能(neng)(neng)實現一(yi)兩(liang)(liang)個(ge)。所(suo)(suo)以，業(ye)界已經開(kai)始研(yan)究可調(diao)節的(de)焦(jiao)平面，但(dan)對于大多數(shu)AR設備而言，迄今為(wei)止所(suo)(suo)演示的(de)方(fang)(fang)法都過于復雜。

尚未進入商業系(xi)統的(de)另一(yi)個功能是(shi)：在光學(xue)透視顯示器中繪制(zhi)黑(hei)色像素(su)。今天的(de)無源光學(xue)元件無法實(shi)現(xian)這一(yi)點，因為它們(men)混(hun)合現(xian)實(shi)和虛擬的(de)工作純(chun)粹(cui)是(shi)添加(jia)性質(zhi)。對于(yu)黑(hei)色像素(su)，我們(men)需要能夠以(yi)每像素(su)和每幀水(shui)平格擋真(zhen)實(shi)世界(jie)光線。盡管LCD層可(ke)能是(shi)一(yi)種(zhong)(zhong)解決方(fang)案(an)(an)，但(dan)它會將顯示器的(de)透明度降(jiang)低一(yi)半，并(bing)產(chan)生極化環境光的(de)問(wen)題，所以(yi)這通常(chang)不(bu)是(shi)一(yi)種(zhong)(zhong)可(ke)行的(de)解決方(fang)案(an)(an)。

我們同(tong)時沒(mei)有探(tan)討功(gong)耗和(he)散熱(re)的(de)(de)(de)話題。人(ren)類對靠近(jin)眼睛(jing)和(he)臉部(bu)(bu)的(de)(de)(de)熱(re)源非常敏感。所以，頭顯在面部(bu)(bu)和(he)太陽(yang)穴區域(yu)消散的(de)(de)(de)熱(re)量不(bu)應(ying)高超(chao)過(guo)一瓦(wa)特(te)。基本(ben)上，今天所有的(de)(de)(de)AR設備都產生了過(guo)多的(de)(de)(de)熱(re)量。為了提高顯示(shi)器的(de)(de)(de)亮(liang)度，光學設計必須變得更加(jia)有效，而不(bu)僅僅只是增加(jia)顯示(shi)器光源的(de)(de)(de)屈光率。

4. 對未來的期待

一個(ge)常見的(de)(de)(de)要求是擴大(da)視場和降低眼(yan)鏡尺寸（實現太陽鏡般的(de)(de)(de)形(xing)狀參數(shu)），而這顯然不利于改進(jin)我們上(shang)面討論的(de)(de)(de)大(da)多數(shu)參數(shu)。與電子設(she)備不同，小(xiao)型化通(tong)常不是光學設(she)計的(de)(de)(de)選擇(ze)或優勢，因為它將帶來縮小(xiao)的(de)(de)(de)參數(shu)，如(ru)焦距，視窗(chuang)尺寸或適眼(yan)距。

除了(le)少數(shu)參數(shu)之外，新(xin)的(de)(de)(de)(de)突破技(ji)術(shu)不(bu)太可能(neng)推動上面的(de)(de)(de)(de)大多數(shu)要(yao)素(su)。例(li)如，全(quan)彩(cai)微型LED的(de)(de)(de)(de)出現(xian)將使得更亮的(de)(de)(de)(de)小型投(tou)影儀成為可能(neng)，但這對整(zheng)體顯示器尺寸(cun)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)有限。另一方面，光學領域的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)不(bu)太可能(neng)出現(xian)急劇的(de)(de)(de)(de)改變。

所以，我(wo)們需(xu)要很長一段時間(jian)才能(neng)實現具備太陽鏡形(xing)狀參數，大視場，高亮度(du)，支持戶外用(yong)例，以及其他遠見者所暢想的(de)元素的(de)AR眼(yan)鏡。與電池技術領(ling)域類似，我(wo)們更有(you)可能(neng)看到(dao)各參數的(de)逐年提(ti)升。

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