一文了解AR/VR显示技术基础

从最小的谷歌眼镜到完全沉浸HTC vive，用于AR/VR头戴设备有不同的形状和尺寸，其核心是头戴显示器 (head-mounted displays，HMDs)，它由光学设备和图形显示器两个主要结构组成。

光学设备

了解人眼的性质，在认识(走)真(***)学(观)学(花)光学设备基础之前，还是很重要的。人眼的基本性质:

1、Field of View (FOV) 视场角

视角被定义为双眼看到图像的最大角度范围。平均而言，水平双眼视角为200度，其中重叠120度。这部分重叠对于构建立体视觉和估计深度尤为重要（稍后再详细讨论），垂直视角约为130度。

2、Inter-pupillary distance (IPD) 瞳距

正如名字所描述的，瞳距是指眼睛和瞳孔之间的距离，这是眼睛视觉系统中极其重要的参数。瞳距因人而异，性别和种族不同。错误的瞳距参数可能导致眼镜校准失败、图像畸变、眼镜疲劳、头痛等不良反应。成人瞳距平均值约63mm，大部分浮动在50-75mm之间，而儿童最小瞳距约40mm。

3、Eye relief 目视离隙

视觉间隙定义为：当用户可以看到整个视角时，角膜与第一个光学设备表面之间的距离。这是戴矫正眼镜和近视眼镜的人的一个非常重要的参数，通常眼镜的视觉间隙约为12毫米。用户调整视觉间隙非常重要。

4、Exit pupil 出射瞳

通过光学系统，光线透射到眼睛的光圈直径。

5、Eye box眼框

目数

目数测量的是看物体时需要的眼睛的数量，因为我们人类最多只有两只眼睛，所以智能显示器的目数限制在最多的眼睛上。

1、Monocular display 单目

单目显示系统允许用户通过单个小显示元件或镜头观察单个视觉通道。该通道放置在用户的一只眼睛前，用户可以用另一只眼睛完全自由地观察现实世界。单目显示系统通常用作信息显示器，因为它体积小，但不能提供三维深度信息，导致对比度低。谷歌眼镜是一种单目显示系统。

2、Biocular 双目单镜

双目单镜类型通过内部反射向双目观察提供单通道视显示系统也缺乏三维视觉，适用于近距离观测任务。

3、Binocular 双目双镜

在双眼镜类型中，每只眼睛都获得了独立的视图来创建三维视觉，它提供了最深的信息和沉浸感，但也是最重、最复杂的计算密集的显示系统。

光学架构

智能眼镜中的光学设备主要有三种用途：

1、Distortion 畸变

光学系统通常有两种设计，或者AR/VR一般有两种结构：非直视型和直视型

2、Non-pupil forming architecture 直视型

直视型由单镜头组成，通常用于一些流行的沉浸式设备，如HTC vive、Oculus Rift、索尼PSVR，这种类型的架构通常用单个放大透镜直接对准显示板的光线。

3、Pupil forming architectures 非直视型

非直视结构具有更轻、更紧凑的设计和更大的眼框，但透镜也会导致明显的光弯曲畸变，即枕形畸变；在这种类型中，另一种透镜通常会产生桶形畸变来抵消以前的畸变。一般用于微软等非沉浸式设备Hololens谷歌眼镜。

波导

顾名思义，波导是一种引导光进入用户眼睛的光学物理结构，通过精细控制光进出运动和内部反射来达到效果。工业上有四种波导：

1、Holographic waveguide 全息波导

全息波导是一种相当简单的波导类型，利用光学元件（如透镜）通过一系列内部反射进行内耦合（进入）和外耦合（出口）。S ** rt Eyeglass使用这种类型的波导。

2、Diffractive waveguide 衍射波导

衍射波导表面有精确的起伏光栅，用于内部反射，然后通过显示屏实现无缝3D图形覆盖。相当一部分。Vuzix显示器和微软Hololens使用这种波导。

3、Polarized waveguide 偏振波导

光进入偏振波导，选定的光抵消(偏振)通过在部分反射部分偏振面进行一系列内部反射进入观众眼睛。Lumus DK-50 AR眼镜采用这种波导方法。

4、Reflective waveguide 反射波导

反射波导类似于全息波导，使用单个平面波导结合一个或多个半反射透镜。这种波导可以在爱普生使用Moverio看谷歌眼镜。

显示器技术

1、Fully immersive 全沉浸型

完全沉浸式是标准的完全沉浸式VR这些三维显示器结合传感器跟踪位置和方向，就像《Ready Player One》它们完全阻挡了用户对外界的视线。

2、Optical see through 光学透视型

用户可以直接通过光学设备(如全息波导等)覆盖现实世界的光学透视智能眼镜

中间系统)观察现实世界。这种类型的最新例子是:微软Hololens、Magic Leap One、谷歌眼镜。

3、Video see through 视频透视型

视频透视智能眼镜，用户首先看到安装在显示器上的一个或两个相机录制的真实图像，然后将这些相机获得的图像与计算机生成的图像结合起来供用户观看。HTC的Vive VR头盔内置相机通常用于设备创建AR效果。

成像技术

在过去的几十年里，成像显示技术取得了很大的进步，高端阴极射线显像管种关键成像技术所取代：

1、Liquid Crystal Displays (LCD) 液晶显示屏

液晶显示屏（LCD）自20世纪80年代以来，它在高清电视中很常见AR/VR中。该类型由含有液晶分子的单元阵列组成，位于两个偏振片之间。该精密装置位于数百万晶体管印刷的薄玻璃基底之间。彩色液晶显示屏（LCD），将红、绿、蓝滤光片的附加基底放置在原基底的每个单元上。单个RGB液晶单元被称为子像素，三个子像素形成一个像素。

液晶显示屏（LCD）在中间，电流可以通过玻璃电流来调节光通道，产生准确的颜色；如果所有的子像素通道都完全打开，就会出现白光。

液晶单元本身不发光，所以需要背光。液晶单元只能改变光通道，以产生所需的颜色和图像。

2.有机发光二极管屏

二极管屏幕有机发光（OLED）基于有机材料（碳技术，基于有机材料（碳与氢结合），施加电流时会发光。能量以有机薄片的形式释放，也称为电致发光。颜色可以通过仔细包装有机发光(薄膜)来控制，但大多数制造商都在有机发光二极管屏幕上（OLED）在栈列中加入红、绿、蓝膜。二极管有机发光（OLED）有两种面板：

（1）被动驱动有机发光二极管：与阴极射线显像管一样，该类型由复杂的电子网格组成，以控制每行中的每个像素。它不包括存储电容器，减慢更新速度，保持像素状态，因此主要用于简单的字符和图标显示。

(2)主动驱动有机发光二极管:被动驱动（POLED）主动驱动有机发光二极管不同（AOLED）晶体管层由一个薄晶体管层组成，它包含一个存储电容器，以保持每个子像素的状态，从而更好地控制单个像素。主动驱动（AOLED）单个像素可以完全关闭，从而实现更深的黑色和更高的对比度，这是近视虚拟和增强现实设备最合适的显示类型。

二极管屏幕有机发光（OLED）远优于液晶显示屏（LCD），它们的结构相对简单，可以非常薄，因为它们不需要外部背光。此外，它们消耗的功率大大降低，刷新速度更快，对比度更高，颜色恢复效果更好，分辨率更高，所以大多数完全沉浸式头戴设备都使用这种技术。

3.数字光投影微显示屏

数字光投影微显示屏（DLP）芯片最初由德州仪器开发，也被称为数字微镜器件（DMD）。该显示器由大约200万个单独控制的微镜组成，每个微镜可以用来表示单个像素，每个微镜的大小约是www.xilukeji.com微米。有趣的是，眼睛的视网膜本身就是显示面。RGB这些微镜反射光，朝向或远离光源。由于每个微镜可以在一秒钟内向任何方向改变数千次，所以改变反射的颜色会在视网膜上产生不同的阴影。

数字光投影微显示屏（DLP）它是目前最快的显示技术之一，具有高色刷新率、低延迟率、低功耗和超高分辨率(www.xilukeji.com英寸的对角线阵列可以实现 x 因此，720图像成为制作头戴式显示器的理想选择。

4.硅基液晶微显示屏

硅基液晶微显示屏（LCoS）液晶显示屏显示（LCD）和数字光投影微显示屏（DLP）显示之间。液晶显示屏（LCD）数字光投影微显示屏是一种生成和传输给用户的透射技术（DLP）单个子像素通过微镜反射是一种反射技术。硅基液晶微显示屏（LCoS）光强度和颜色由一系列子滤镜通过反射表面和光反射来调节。类似于DLP与小型设备集成时，显示器的小尺寸属性使其具有相当大的灵活性。微软的Hololens，甚至谷歌眼镜Magic Leap One使用硅基液晶微显示屏（LCoS）。

考虑到正在开发的显示技术分辨率很高，基于平板电脑的头戴显示器可能会成为AR设备的历史。欢迎积极讨论~

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