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為什么研發(fā)AR顯示器這么難？

（映維網(wǎng) 2019年8月21日移動(dòng)AR已成為熱點(diǎn)話題。與微軟見(jiàn)面HoloLens，Magic Leap的Creator Edition或DAQRI的S ** rt Glasses當(dāng)你有相關(guān)的熱門(mén)文章時(shí)，你會(huì)有一個(gè)AR似乎終于準(zhǔn)備好走進(jìn)大眾市場(chǎng)了。然而，設(shè)備仍有許多缺陷，尤其是顯示器。

最近流行媒體出現(xiàn)了各種推測(cè)和功能建議，大家似乎普遍認(rèn)為現(xiàn)在AR顯示器非常優(yōu)秀，雖然視野仍然太小，但很快就會(huì)達(dá)到優(yōu)秀的水平。例如，波導(dǎo)設(shè)計(jì)師DigiLens等待顯示器制造商也加入了這一輪的視野噪音，并最近宣布他們AR顯示器很快就能達(dá)到150度的視場(chǎng)。

在本文中，DAQRI首席技術(shù)官Daniel Wagner、DAQRI首席光學(xué)設(shè)計(jì)工程師Louahab Noui和DAQRI研究總監(jiān)Adrian Stannard試著解釋為什么視場(chǎng)不太可能在短時(shí)間內(nèi)大幅擴(kuò)展。本文的另一個(gè)更重要的目標(biāo)是，這表明視野只是正確的AR大約24個(gè)參數(shù)中有一個(gè)顯示器很重要。其他參數(shù)的重要性不亞于FOV，尚未解決或可獨(dú)立解決。其實(shí)目前大部分都是AR軍事或工業(yè)場(chǎng)景中已經(jīng)存在了顯示技術(shù)，最近的進(jìn)展降低了相關(guān)成本，新的突破更少。以下是映維網(wǎng)的具體整理:

1. AR顯示器的類(lèi)型

目前主要有兩種AR顯示技術(shù)：光學(xué)透視和視頻透視。該行業(yè)過(guò)去探索過(guò)這兩種選擇，但由于其明顯的局限性，幾乎所有的商業(yè)用途AR所有設(shè)備均采用光學(xué)透視顯示器。

89che.com 光學(xué)透視顯示器

光學(xué)透視顯示器允許用戶直接(通過(guò)一組光學(xué)元件)感知現(xiàn)實(shí)世界。這種AR顯示器通過(guò)向現(xiàn)實(shí)世界的光添加額外的光來(lái)呈現(xiàn)虛擬內(nèi)容。因?yàn)檫@是一種添加操作，不可能顯示黑色或使現(xiàn)實(shí)世界變暗。因此，今天的無(wú)源光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法顯示黑色虛擬內(nèi)容或繪制陰影。有實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以阻止每個(gè)像素級(jí)別的射光，但它們離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)，所以本文不考慮。

光學(xué)透視顯示器主要有波導(dǎo)和自由空間系統(tǒng)(組合器)兩種。目前，波導(dǎo)（見(jiàn)下圖）顯然在高端領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，上述設(shè)備基于波導(dǎo)：投影儀在波導(dǎo)位置（內(nèi)耦合）插入圖像。全內(nèi)反射（Total Internal Reflection；TIR），它會(huì)在波導(dǎo)內(nèi)反彈(就像在光纖電纜中一樣)，然后在另一個(gè)位置(外耦合)向眼睛出射。波導(dǎo)很受歡迎，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔的平面設(shè)計(jì)，但會(huì)帶來(lái)一系列的(圖像質(zhì)量)問(wèn)題。

左邊是基于波導(dǎo)的光學(xué)透視顯示器；右邊是基于自由空間系統(tǒng)的光學(xué)透視顯示器

當(dāng)今最流行的波導(dǎo)替代方案是自由空間系統(tǒng)。由于使用自由元件，其設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，但從光學(xué)的角度來(lái)看，它比波導(dǎo)簡(jiǎn)單得多，因此它可以產(chǎn)生更高的圖像質(zhì)量。此外，一旦完全原型化，其生產(chǎn)成本將遠(yuǎn)低于波導(dǎo)。對(duì)于基于自由空間系統(tǒng)的顯示器來(lái)說(shuō)，一個(gè)常見(jiàn)的誤解似乎是，它們通常必須有很大的視野（例如Meta2）。

波導(dǎo)光學(xué)效率低，需要強(qiáng)大的投影儀。目前的實(shí)現(xiàn)方法是將其用作光源LED和作為圖像調(diào)制器LCOS組合。自由空間系統(tǒng)通常足夠應(yīng)用OLED，后者具有自發(fā)光的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較小的投影儀設(shè)計(jì)。

89che.com 視頻透視顯示器

對(duì)于視頻透視顯示器，一對(duì)攝像頭將記錄真實(shí)世界的視圖，然后通過(guò)不透明顯示器顯示，如OLED或LCD。通過(guò)常見(jiàn)的視頻混合技術(shù)添加虛擬內(nèi)容，這意味著任何類(lèi)型的操作都可以進(jìn)行，包括顯示黑色虛擬內(nèi)容和暗化現(xiàn)實(shí)世界。

視頻透視顯示器的原理

適當(dāng)?shù)囊曨l混合能力絕對(duì)是視頻通過(guò)光學(xué)透視的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，現(xiàn)在基本上是全部AR所有設(shè)備均采用光學(xué)透視。原因很簡(jiǎn)單:在視頻透視的情況下，本文討論的所有挑戰(zhàn)都適用于真實(shí)視圖和虛擬內(nèi)容。相比之下，光學(xué)透視只適用于虛擬內(nèi)容，通過(guò)巧妙UI我們可以更好地控制設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)明顯的例子：雖然人眼可以看到一個(gè)人站在陽(yáng)光下，一個(gè)人站在陰影下，但今天的相機(jī)和顯示器無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。要么陰影中的人太暗，要么陽(yáng)光下的人太亮。此外，大視場(chǎng)是必要的，不僅要匹配部署的攝像頭系統(tǒng)，還要模仿肉眼看到的真實(shí)世界視場(chǎng)。此外，還有安全和人類(lèi)因素需要解決。因此，本文的其余部分只討論光學(xué)透視顯示。

2. 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文假設(shè)視場(chǎng)只是AR顯示器的許多基本設(shè)計(jì)參數(shù)之一。大多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)與F視場(chǎng)一樣重要。以下是最重要的屬性：

視窗大?。‥ye box size）亮度、透明度和空間對(duì)比度均勻性和顏色質(zhì)量分辨率現(xiàn)實(shí)世界畸變虛擬圖像畸變眼安全眼距色差深度感知體積，重量和形狀參數(shù)光學(xué)效率延遲雜散光

我們可以相對(duì)容易地以其他參數(shù)為代價(jià)來(lái)改進(jìn)參數(shù)。例如，如果你能接受大尺寸和小窗戶，那么增加視野并不難。但大多數(shù)用戶可能不想使用這樣的設(shè)備。另一方面，在小顯示器中實(shí)現(xiàn)大視野和大窗戶是非常具有挑戰(zhàn)性的。類(lèi)似地，大窗戶需要更多的光來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的感知亮度，因此需要更強(qiáng)的光源。

今天下面描述的大多數(shù)參數(shù)都沒(méi)有達(dá)到最理想的狀態(tài)。因此，設(shè)備制造商的目標(biāo)是全面改進(jìn)它們。但正如剛才提到的，在不犧牲其他參數(shù)的情況下，很難改進(jìn)一個(gè)參數(shù)。這種權(quán)衡的主要原因是所謂的系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展。以下公式定義為幾何不變量。與能量守恒類(lèi)似，我們需要保持光學(xué)擴(kuò)展守恒。在最簡(jiǎn)單的形式中，光束所占立體角的乘積必須是最簡(jiǎn)單的形式。

光學(xué)擴(kuò)展守恒：h2越高，Ω2則越小

在圖片中，高度為h1的對(duì)象用作光源。圖像高度用于顯示透鏡系統(tǒng)的幾何形狀h2> h1.對(duì)象側(cè)的立體角Ω2小于Ω1.換句話說(shuō)，如果面積擴(kuò)大，立體角會(huì)減小，反之亦然。更正式的光學(xué)擴(kuò)展量定義為:

n是介質(zhì)的折射率，θ是面積dA發(fā)射(或接收)光束的角度。光學(xué)擴(kuò)展沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，但G”和“dG常用于光學(xué)領(lǐng)域。類(lèi)似術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)在近軸極限中，稱(chēng)為拉格朗日不變量：

其中h1和h對(duì)象和圖像的高度，u1和u二是對(duì)象和圖像的射線角度。G有時(shí)用于包含替代表達(dá)式NA顯微鏡物鏡(數(shù)值孔徑):

如果試圖擴(kuò)大出射光瞳孔以獲得恒定視場(chǎng)，光學(xué)擴(kuò)展將影響光發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的效率和投影儀的尺寸。以下圖中簡(jiǎn)單的投影儀設(shè)計(jì)為例，焦距為f的準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直寬度為x的微顯示面板（僅限于一個(gè)維度）。投影儀的視場(chǎng)是我們希望通過(guò)顯示器實(shí)現(xiàn)和中繼的目標(biāo)，無(wú)論是波導(dǎo)還是自由空間系統(tǒng)。

基于準(zhǔn)直微顯示面板的簡(jiǎn)單頭顯投影儀

投影儀的高度(射光瞳)由鏡頭直徑?jīng)Q定，投影儀的視場(chǎng)θ以下等式確定：

為了增加給定顯示器的視野，我們需要減少f或增加fx，但根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展守恒，增加立體角度會(huì)減小圖像尺寸。此外，透鏡半徑不能大于其曲率半徑，這決定了其焦距（通常使用鏡子，因此只有一個(gè)表面具有屈光率）。因此，有一種權(quán)衡，我們可以通過(guò)更大的顯示面板來(lái)解決，但這將使投影儀和照明系統(tǒng)更大，因?yàn)樵跍?zhǔn)直光源中也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。因此，光電發(fā)射顯示面板非常有吸引力。波導(dǎo)非常受歡迎，因?yàn)樗鼈冎С滞讛U(kuò)展或瞳孔擴(kuò)展 ** 因此，光學(xué)擴(kuò)展量關(guān)系不會(huì)直接受到影響。但這會(huì)產(chǎn)生圖像質(zhì)量、效率和亮度等其他后果。當(dāng)你選擇用于投影儀的掃描激光系統(tǒng)時(shí)，你也會(huì)遇到其他復(fù)雜的情況，因?yàn)橥队皟x的光瞳很小。擴(kuò)展這種投影儀的一種方法是使用中介屏幕作為輔助光源，但會(huì)增加體積（因?yàn)樾枰~外的中繼透鏡），增加斑點(diǎn)，降低效率。另一種瞳孔擴(kuò)展方法是使用波導(dǎo)，但如果沒(méi)有眼動(dòng)跟蹤和主動(dòng)校正功能，就很難抑制偽影。

89che.com 視場(chǎng)

雖然每個(gè)人似乎都渴望更大的視野，但它必須與其他方面仔細(xì)平衡。對(duì)更大視野的需求在很大程度上取決于頭部顯示設(shè)計(jì)的目的。對(duì)于游戲等消費(fèi)者用例，更大的視野將增加沉浸感。×對(duì)于大多數(shù)專(zhuān)業(yè)用例(如維護(hù)和檢查等)來(lái)說(shuō)，30度的視場(chǎng)就足夠了，因?yàn)榻裹c(diǎn)很小，而其他方面更重要(比如增加安全性)。

各種AR/VR設(shè)備視場(chǎng)和人類(lèi)視場(chǎng)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，所有的視場(chǎng)都畫(huà)成矩形。注意，實(shí)際AR/VR設(shè)備視場(chǎng)和人類(lèi)視場(chǎng)都不是矩形。

如上圖所示，今天的AR顯示器只覆蓋了人類(lèi)視野的一小部分。由于光學(xué)設(shè)置更簡(jiǎn)單VR設(shè)備更接近覆蓋整個(gè)人類(lèi)視野。

如下簡(jiǎn)化方程所示：

光學(xué)表面的尺寸(如寬度)，b是視窗尺寸，r是適眼距，v是視場(chǎng)。下圖顯示了這種關(guān)系。

光學(xué)表面尺寸（s），適眼距（r），視窗尺寸（b）和視場(chǎng)（v）的關(guān)系。

假設(shè)視場(chǎng)為40度，適眼距為20度mm，視窗尺寸是20mm，顯示表面需要35個(gè)mm寬。假設(shè)視場(chǎng)為90度，其它參數(shù)相似，顯示表面需要達(dá)到60度mm。對(duì)于DigiLens顯示器的對(duì)角線需要達(dá)到170度(對(duì)角線)波導(dǎo)mm。對(duì)于4:3的形狀參數(shù)，顯示器需要135左右mm×100mm，而且是單眼。

波導(dǎo)尺寸從左到右:35mm，60mm和135mm。

從上圖可以看出，即使是60mm寬波導(dǎo)已經(jīng)相當(dāng)大了，mm寬波導(dǎo)根本不可行。它不僅可笑，而且這種寬視場(chǎng)必須包含在雙眼重疊中，這意味著兩個(gè)波導(dǎo)必須重疊。顯然，為了達(dá)到這樣的視野，平面顯示表面將不再有效，曲面組合器選項(xiàng)需要考慮。(雖然不是不可能)但曲面波導(dǎo)目前只是一個(gè)研究課題，離實(shí)用還很遠(yuǎn)。

89che.com 視窗尺寸

視窗是近眼顯示器前面的區(qū)域，允許用戶正確感知顯示內(nèi)容。窗外的顯示內(nèi)容可能會(huì)扭曲，顏色可能會(huì)錯(cuò)誤，或者內(nèi)容可能根本無(wú)法感知。盡管該行業(yè)稱(chēng)之為視窗，但該地區(qū)的3D形狀不是盒子，而是圓錐形，會(huì)隨著距離顯示器的距離而變薄。盡管視窗是AR和VR顯示領(lǐng)域的常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)，但光學(xué)元件領(lǐng)域更常用的術(shù)語(yǔ)是瞳孔，其中瞬時(shí)視場(chǎng)等于總視場(chǎng)。

眼睛是黑色的，窗戶是綠色的，顯示器是藍(lán)色的。

當(dāng)使用雙筒望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡時(shí)，大多數(shù)人應(yīng)該注意到瞳孔太小的問(wèn)題：除非每只眼睛都能準(zhǔn)確地定位在眼鏡前的正確位置，否則你什么也看不見(jiàn)。這種不受歡迎行為的原因是，較小的瞳孔會(huì)導(dǎo)致更高的光效率（進(jìn)入雙筒望遠(yuǎn)鏡的光集中在另一側(cè)的小區(qū)域），這顯然是雙筒望遠(yuǎn)鏡的理想屬性。

那么，視窗有多大呢？視窗的最小實(shí)際尺寸顯然是人眼瞳孔的尺寸(通常假設(shè)為4左右mm），這通常是雙筒望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)目標(biāo)。雙筒望遠(yuǎn)鏡的視野很小，所以瞳孔保持相對(duì)固定。AR/VR顯示器，用戶的眼睛可以自由移動(dòng)。視窗需要在每個(gè)方向增加至少幾毫米，以支持這種眼睛運(yùn)動(dòng)。

眼球運(yùn)動(dòng)不是擴(kuò)大視窗的唯一要求。不同的人有不同的瞳距（IPD）。為了支持這種差異化，需要機(jī)械調(diào)節(jié)(如雙筒望遠(yuǎn)鏡)或光學(xué)調(diào)節(jié)(通過(guò)進(jìn)一步增加視窗寬度)。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，移動(dòng)組件存在很大的問(wèn)題，尤其是在需要精確校準(zhǔn)的時(shí)候。由于機(jī)械調(diào)整不是一個(gè)好的選擇，因此需要進(jìn)一步增加至少10個(gè)窗口寬度mm，理想情況下是20mm。

由于波導(dǎo)輸入光瞳通常不是很大，行業(yè)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)增加射光瞳的尺寸，如擴(kuò)張或擴(kuò)張 ** 。衍射波導(dǎo)具有自然優(yōu)勢(shì)，反射波導(dǎo)向兩個(gè)方向擴(kuò)展視窗(2D瞳孔擴(kuò)展)非常具有挑戰(zhàn)性。因此，半反射波導(dǎo)通常比衍射波導(dǎo)小。

大視窗的設(shè)計(jì)通常非常具有挑戰(zhàn)性，并將對(duì)其他設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生巨大的影響。例如。窗戶的大小直接影響顯示區(qū)域（波導(dǎo)）所需的大小。此外，就像雙筒望遠(yuǎn)鏡的例子一樣，為了實(shí)現(xiàn)相同的感知亮度，更大的窗戶需要更多的光輸出。

89che.com 亮度、透明度和占空時(shí)間

簡(jiǎn)單地說(shuō)，顯示亮度定義了顯示亮度是否足以支持用戶在特定情況下清楚地感知虛擬內(nèi)容。透明度是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界中有多少光能到達(dá)眼睛。對(duì)于AR，理想情況下，非模糊區(qū)域達(dá)到100%。對(duì)于VR，它通常是零。占空時(shí)間定義了每幀像素點(diǎn)亮的時(shí)間?？梢院撩牖驇瑫r(shí)間百分比測(cè)量占空時(shí)間。這三個(gè)主題在很大程度上獨(dú)立于用戶的視角，但在技術(shù)上卻密切相關(guān)。本節(jié)將一起討論。

對(duì)移動(dòng)AR就設(shè)備而言，顯示亮度絕對(duì)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的話題。今天幾乎所有的AR頭部顯示的亮度非常有限：Hololens和DAQRI S ** rt Glasses顯示亮度約為300 nits，而Magic Leap One的顯示亮度僅為200 nits。由于顯示器亮度非常具有挑戰(zhàn)性，所以今天大多數(shù)的AR眼鏡通常都是經(jīng)過(guò)調(diào)配，只限于室內(nèi)使用，而且在戶外很快變得不可用，尤其是在陽(yáng)光直射的情況下。為了減輕這個(gè)問(wèn)題，大多數(shù)AR頭顯都采用會(huì)降低透明度，并因而減少到達(dá)用戶眼睛的環(huán)境光線數(shù)量的有色面板，從而令顯示器相對(duì)更加光亮。盡管這對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)或許可以接受，但大多數(shù)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都不能容忍低顯示透明度。

除了有色面板，大多數(shù)光學(xué)設(shè)計(jì)都會(huì)阻擋大量的現(xiàn)實(shí)世界光線。例如，Birdbath設(shè)計(jì)（原ODG和現(xiàn)Nreal）會(huì)格擋大部分的入射光線。

Karl Guttag的博客有關(guān)于這方面的介紹（這里 和這里 ）。根據(jù)Guttag的說(shuō)法，Hololens只允許約40％的環(huán)境光線到達(dá)眼睛，MagicLeap One僅為約15％，而在2019年初亮相的Nreal眼鏡則是25％左右。幸運(yùn)的是，人眼具有大約1：109的巨大動(dòng)態(tài)范圍，所以我們能夠應(yīng)對(duì)這種亮度降低。但在黑暗環(huán)境中，這種亮度降低可能是產(chǎn)生問(wèn)題。

由于占空時(shí)間定義了每幀允許像素發(fā)光的時(shí)間長(zhǎng)度，所以它與顯示亮度密切相關(guān)。占空時(shí)間為100％意味著顯示器連續(xù)發(fā)光。對(duì)于60Hz顯示器，這意味著每幀大約16ms。但在這樣長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)顯示相同的像素值將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影（“拖尾”）。比方說(shuō)我們假設(shè)顯示器的水平視場(chǎng)是40度，水平方面1280像素分辨率，以及每秒60度的頭部旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，頭部大約每毫秒旋轉(zhuǎn)2個(gè)像素。所以當(dāng)占空時(shí)間為16ms時(shí)，每個(gè)像素將在32個(gè)像素的長(zhǎng)度中產(chǎn)生“空間拖尾”（參見(jiàn)下圖）。

左右兩邊為相同的圖像，但右圖出現(xiàn)了水平運(yùn)動(dòng)模糊。

但幸運(yùn)的是，在專(zhuān)心查看細(xì)節(jié)時(shí)，我們?nèi)祟?lèi)頭部會(huì)更加穩(wěn)定，所以實(shí)際上AR顯示器通?？梢越邮?ms或更低的像素占空時(shí)間。

60Hz幀率的占空時(shí)間。左邊是16ms，右邊是4ms。

LCOS面板是由單獨(dú)的LED點(diǎn)亮，而這可以非常光亮，所以可以實(shí)現(xiàn)高透明度，占空時(shí)間低于1ms（各顏色）的光亮顯示器。另一方面，OLED更暗，所以當(dāng)占空時(shí)間過(guò)短并且同時(shí)需要高透明度時(shí)，OLED顯示器很快就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)問(wèn)題。以上圖為例，當(dāng)占空時(shí)間為16ms時(shí)，顯示器更亮，但會(huì)出現(xiàn)拖影。當(dāng)占空之間為4ms時(shí)，拖影情況會(huì)減少，但顯示器會(huì)過(guò)暗。

當(dāng)占空時(shí)間為4ms時(shí)：左邊是120Hz幀率，右邊是240Hz。

當(dāng)幀率為60Hz（約16ms）時(shí)，4ms的絕對(duì)占空時(shí)間將導(dǎo)致顯示像素僅在約25％的時(shí)間內(nèi)有效。結(jié)果，顯示亮度將降低四倍。如果顯示器以120Hz運(yùn)行，4ms的占空時(shí)間意味著像素依然在大約50％的時(shí)間內(nèi)發(fā)光。類(lèi)似地，240Hz可以實(shí)現(xiàn)約100％的占空時(shí)間。但對(duì)于移動(dòng)設(shè)備及其顯示面板而言，這種高幀速率并不現(xiàn)實(shí)。

89che.com 對(duì)比度

對(duì)比度沒(méi)有正式的定義或衡量方法。但是，大多數(shù)人都能理解對(duì)比度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)比度描述了顯示器同時(shí)產(chǎn)生更亮和更暗像素的能力，如：

如果顯示器的對(duì)比度較差，則無(wú)法同時(shí)顯示亮內(nèi)容和暗（透明）內(nèi)容。根據(jù)顯示器的整體亮度，它要么無(wú)法顯示明亮區(qū)域，要么本應(yīng)為暗（透明）的區(qū)域沒(méi)有變暗。對(duì)于光學(xué)透視顯示器，透明度取代了黑色的作用：在對(duì)比度差的AR顯示器中，你可以看到透明區(qū)域顯示為深灰色。換句話說(shuō)：只要AR顯示器不夠亮，對(duì)比度差的負(fù)面影響同樣有限。但隨著AR顯示器的亮度提升，它們將需要更高的對(duì)比度。

對(duì)比度取決于顯示面板和光學(xué)系統(tǒng)。LCOS往往具有低對(duì)比度，通常是為1：100至1：200。OLED具有相對(duì)較高的對(duì)比度，可以達(dá)到1：89che.com或更高，這就是它們?nèi)缃袷艿郊矣秒娨暁g迎的原因。但在兩種情況下，光學(xué)元件（棱鏡，透鏡，波導(dǎo)）將導(dǎo)致對(duì)比度的進(jìn)一步降低。例如對(duì)基于LCOS的系統(tǒng)而言，最終對(duì)比度很容易就會(huì)低于1：100。

89che.com 均勻性和顏色質(zhì)量

顏色質(zhì)量定義了顯示器能夠再現(xiàn)顏色的準(zhǔn)確程度。例如，由GPU渲染成紅色的像素會(huì)顯示屏中顯示為紅色嗎？為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)纳试佻F(xiàn)，我們需要進(jìn)行校準(zhǔn)（包括伽瑪）。由于AR顯示器通常是添加光線，所以感知顏色同時(shí)取決于虛擬內(nèi)容所疊加的場(chǎng)景。

與對(duì)比度相同，顏色質(zhì)量可能存在非常大的差異，具體取決于顯示器的位置：例如，取決于它是位于顯示器的左側(cè)還是右側(cè)，像素顏色看起來(lái)可能相當(dāng)不同。這種偽影通常依賴于視圖，這意味著用戶瞳孔的位置同樣會(huì)有影響，并且需要眼動(dòng)追蹤進(jìn)行解決。

均勻性描述了位于不同顯示器位置的像素顏色變化：對(duì)于完美的顯示器，通過(guò)相同RGB值渲染的每個(gè)像素看起來(lái)都完全相同。實(shí)際上，亮度，對(duì)比度，顏色和其他屬性取決于顯示器位置以及查看像素的角度。

盡管自由形式組合器（如Meta2）和半反射波導(dǎo)（如Lumus）的均勻性通常都非常好，但衍射波導(dǎo)顯示器（如Hololens和MagicLeap）明顯受到均勻性問(wèn)題的影響。這種充滿中等灰度像素級(jí)數(shù)的顯示器會(huì)出現(xiàn)各種色調(diào)（見(jiàn)下圖）。

衍射波導(dǎo)的顏色問(wèn)題。顯示器會(huì)出現(xiàn)各種色調(diào)，而非均勻的白色或灰 ** 調(diào)。底部明顯出現(xiàn)了亮度不均勻

89che.com 分辨率

顯示分辨率描述了可以顯示多少不同的像素。這是一個(gè)有著眾多文章介紹的屬性之一。顯示分辨率的最終目標(biāo)是達(dá)到人類(lèi)視覺(jué)極限或略微超過(guò)大約一弧分（1/60度）。

由于市場(chǎng)對(duì)提升規(guī)格的需求，今天大多數(shù)智能手機(jī)的分辨率遠(yuǎn)高于人眼在正常情況所能感知的分辨率。例如在40厘米遠(yuǎn)查看顯示屏尺寸為14厘米的智能手機(jī)，這意味著手機(jī)屏幕在人眼視場(chǎng)范圍內(nèi)大約為20度，所以長(zhǎng)邊不需要超過(guò)1200像素。但是，今天依然有一系列的智能手機(jī)的顯示分辨率要比這個(gè)數(shù)字高出50%。

視場(chǎng)為30度×20度的AR顯示器大約需要1800×1200像素。但今天的VR顯示器位于90度×60度的范圍內(nèi)，所以實(shí)現(xiàn)人眼極限需要5400×3600像素。這意味著每秒生成和顯示大約20萬(wàn)像素75次，或每秒15億像素……

對(duì)于智能手機(jī)，用戶直接看著屏幕（忽略手機(jī)膜）。所以沒(méi)有光學(xué)元件會(huì)以負(fù)面方式影響顯示面板提供的像素質(zhì)量。對(duì)于AR和VR設(shè)備，盡管復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)是位于用戶眼睛和顯示面板之間，但它們會(huì)嚴(yán)重降低圖像質(zhì)量。感知分辨率（到達(dá)眼睛的分辨率）可以顯著低于顯示面板分辨率。正如Karl Guttag所說(shuō)，MagicLeap One的有效分辨率僅為其面板分辨率的一半。類(lèi)似地，Hololens顯示器在從LCOS到眼睛的光路中損失了大量的分辨率。

所以，只要光學(xué)系統(tǒng)是顯示面板的限制因素，分辨率通常沒(méi)有什么意義。

89che.com 真實(shí)世界畸變

對(duì)于光學(xué)透視顯示器，用戶是通過(guò)顯示器的光學(xué)元件感知現(xiàn)實(shí)世界。在大多數(shù)AR設(shè)備中，所述元件構(gòu)成了下面的子集：

顯示視覺(jué)增強(qiáng)所需的虛擬圖像的波導(dǎo)，如HoloLens?；蛘邔⑼队皥D像反射到眼睛的自由形式組合器，如Meta2。設(shè)備外部的面罩用于保護(hù)電子元件和光學(xué)元件。將虛擬圖像焦平面從無(wú)限遠(yuǎn)移動(dòng)到更為可行位置的推/拉透鏡，如2米（如DAQRI S ** rt Glasses的反射波導(dǎo)）。在一側(cè)或兩側(cè)保護(hù)脆弱波導(dǎo)的附加塑料，如Hololens。

其中一些元件具有額外的，不受待見(jiàn)的光學(xué)屬性。例如，波導(dǎo)以將光線彎曲（引導(dǎo)）到正確的方向，但它同時(shí)會(huì)影響真實(shí)世界的光線，而理想情況下光線不應(yīng)該受到影響。類(lèi)似地，面罩或推/拉透鏡的設(shè)計(jì)或由于有限的質(zhì)量而使光線變形。

當(dāng)然，大家都希望能夠盡可能少地扭曲現(xiàn)實(shí)世界視點(diǎn)，但在實(shí)踐中，限制重量和成本的愿望需要可能會(huì)產(chǎn)生明顯偽影的妥協(xié)。

89che.com 虛擬圖像畸變

光學(xué)工程師旨在設(shè)計(jì)一種有著最大可能圖像質(zhì)量的光學(xué)路徑，而這同時(shí)包括最小化畸變：在完美的示例中，顯示面板的矩形像素網(wǎng)格將顯示為等量矩形像素網(wǎng)格。在諸如看著矩形智能手機(jī)這樣的直接視圖場(chǎng)景中，這一點(diǎn)很少有納入考慮。在諸如AR顯示器這樣的復(fù)雜光學(xué)設(shè)置中，為了優(yōu)化其他參數(shù)，圖像畸變通常成為需要忍住的要素。

幸運(yùn)的是，與現(xiàn)實(shí)世界畸變相比，只要顯示器合理校準(zhǔn)（畸變很大程度上是取決于視圖），虛擬內(nèi)容的畸變可以有效地進(jìn)行解決。通過(guò)恰當(dāng)?shù)男?zhǔn)，所述畸變可以作為渲染管道的一部分進(jìn)行處理，而處理成本很低或者為零。不過(guò)，取決于系統(tǒng)的光學(xué)畸變量，這可以帶來(lái)顯著的偽影，比方說(shuō)特定區(qū)域的顯示分辨率出現(xiàn)大幅降低。

通常來(lái)說(shuō)，波導(dǎo)的畸變相當(dāng)?shù)停@樣至少消費(fèi)者用例可能會(huì)予以忽略（沒(méi)有通過(guò)數(shù)字方式進(jìn)行校準(zhǔn)和校正）。自由空間組合器（和VR顯示器一樣）通常會(huì)生成需要進(jìn)行恰當(dāng)處理的嚴(yán)重畸變。由于畸變圖像非常不規(guī)則，所以顯示面板的有效區(qū)域可能同樣會(huì)減少。下圖是自由空間設(shè)計(jì)的示例性畸變網(wǎng)格。可以注意到，網(wǎng)格的一部分落在顯示面板之外，并且用戶不能觀察到顯示面板的一部分（沒(méi)有網(wǎng)格的黑 ** 域）。 下圖同時(shí)說(shuō)明了頂部和底部之間的分辨率差異。

自由空間組合器的示例性失真。圖片是沿到顯示面板的光路追蹤矩形網(wǎng)格圖像生成。

89che.com 人眼安全

在談?wù)揂R顯示器時(shí)，兩種類(lèi)型的人眼安全十分重要：確保眼睛不受AR顯示器的影響；確保AR顯示器保護(hù)眼睛免受外部傷害。

確保眼睛不受AR顯示器傷害聽(tīng)起來(lái)像是不費(fèi)吹灰之力。顯然，任何產(chǎn)品都必須滿足這個(gè)要求。但對(duì)于距離最脆弱的人體器官僅幾厘米的近眼顯示器而言，我們必須特別小心。這變得尤為重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)AR顯示器是將玻璃元件作為光學(xué)堆疊的一部分。在發(fā)生撞擊時(shí)，玻璃元件可能會(huì)破碎并傷害用戶。所以，我們需要將所有玻璃元件整合至不易破碎的護(hù)蓋之中。

盡管這聽(tīng)起來(lái)十分明顯，但事實(shí)并非總是如此。例如，最近發(fā)布的聯(lián)想ThinkReality就把反射性波導(dǎo)波導(dǎo)直接放在用戶眼睛前面，沒(méi)有任何護(hù)蓋。由于這種波導(dǎo)是由眾多以水平條紋粘在一起的小玻璃元件構(gòu)成，所以它們很容易損壞并對(duì)用戶造成傷害。

保護(hù)眼睛免受外界傷害通常只商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中的要求。對(duì)于所述領(lǐng)域，諸如ANSI 89che.com之類(lèi)的眼睛保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)描規(guī)定了評(píng)為安全眼鏡所需承受的力類(lèi)型。

89che.com 適眼距

與視窗相同，適眼距沒(méi)有通用的定義。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是指瞳孔到AR顯示器最近點(diǎn)的支持距離。由于并非所有用戶都具有相同的頭形，所以在實(shí)踐中需要支持一定范圍的適眼距，從而限定視窗的厚度（沿著觀察方向）。

適眼距是瞳孔到光學(xué)表面最近點(diǎn)的距離

通常來(lái)說(shuō)，優(yōu)選足夠支持常規(guī)眼鏡的適眼距，這樣存在視力問(wèn)題的用戶就無(wú)需購(gòu)買(mǎi)定制透鏡。但如前所述，視窗實(shí)際上不是一個(gè)方形，而是圓錐形，并且會(huì)隨著顯示器的距離變大而變薄。所以，支撐大適眼距，以及寬度和高度足夠大的視窗非常具有挑戰(zhàn)性。

89che.com 外圍視覺(jué)

當(dāng)談到AR眼鏡時(shí)，我們關(guān)注的不僅只是一個(gè)視場(chǎng)，而是兩個(gè)視場(chǎng)：AR眼鏡用于顯示虛擬內(nèi)容的可視覺(jué)增強(qiáng)區(qū)域，這是大多數(shù)文章和規(guī)范所指的視場(chǎng)；但人類(lèi)可以感知的視場(chǎng)范圍要大于當(dāng)前AR顯示器的可視覺(jué)增強(qiáng)區(qū)域，而我們將可視覺(jué)增強(qiáng)區(qū)域之外的視場(chǎng)稱(chēng)為外圍視場(chǎng)。另外，我們需要確保不能過(guò)分遮擋外圍視場(chǎng)。

人類(lèi)視場(chǎng)是單眼約150度×120度，雙眼加起來(lái)是220度×120度。將顯示器放在眼睛前面會(huì)造成額外的遮擋，所以一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將這種遮擋保持在最低限度。下面是人眼視圖（綠色），無(wú)遮擋視圖（紅色）和可視覺(jué)增強(qiáng)視圖（藍(lán)色）的尺寸對(duì)比示意圖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，所有區(qū)域都繪制為矩形。

人類(lèi)視場(chǎng)（綠色）與AR設(shè)備的示例性視場(chǎng)和實(shí)際視覺(jué)增強(qiáng)視圖進(jìn)行比較。綠色和紅色之間的區(qū)域表示設(shè)備所遮擋的視場(chǎng)。紅色和藍(lán)色之間的區(qū)域表示用戶可以感知的真實(shí)環(huán)境區(qū)域，但無(wú)法進(jìn)行視覺(jué)增強(qiáng)。

因此，除了最大化可視覺(jué)增強(qiáng)視場(chǎng)（藍(lán) ** 域）之外，第二個(gè)目標(biāo)是最大化非遮擋視場(chǎng)（紅 ** 域）。要做到這一點(diǎn)，任何遮擋視圖的元素都需要向外拉。這包括顯示器部分（如投影儀），以及諸如傳感器這樣的元件或諸如鏡臂這樣的支撐結(jié)構(gòu)。

與上面的簡(jiǎn)化示例圖不同，實(shí)際的視場(chǎng)不是矩形。如下圖所示，視場(chǎng)主要受眉毛，鼻子和臉頰的限制：紅色和黃色的組合區(qū)域描繪了左眼視場(chǎng)。類(lèi)似地，綠色和黃 ** 域描繪了右眼的視場(chǎng)。黃 ** 域則描繪了雙眼重疊，亦即雙眼都可以觀察到的視場(chǎng)。

左圖：左眼和右眼的人類(lèi)視場(chǎng)；右圖：左圖是通過(guò)使用虛擬頭部模型進(jìn)行光線投射生成。

89che.com 色差

透鏡的折射率隨光波長(zhǎng)而變化，這導(dǎo)致不同的“顏色相關(guān)”焦距。在相機(jī)中，這一般是通過(guò)組合多個(gè)透鏡來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，但由于尺寸限制，這對(duì)AR顯示器而言通常是不可能的事情。所以，色差是AR顯示器中引人注目的問(wèn)題。盡管可以在軟件中校正一定的像差（通過(guò)適當(dāng)?shù)男?zhǔn)），但其他效果更難以解決（取決于視圖）或者不能校正。一如既往，最佳的途徑是盡可能地以光學(xué)方式而非數(shù)字方式來(lái)減少偽影。

左圖：紅色和藍(lán)色由于色差而分解；右圖：通過(guò)相應(yīng)地扭曲每個(gè)顏色通道進(jìn)行數(shù)字校正。

89che.com 深度感知

有多種人類(lèi)視覺(jué)線索可以允許我們感知深度。對(duì)于AR顯示器，兩個(gè)最重要的線索是視覺(jué)輻輳（眼睛旋轉(zhuǎn)以觀察相同的對(duì)象）和視覺(jué)調(diào)節(jié)（瞳孔聚焦對(duì)象）。它們是神經(jīng)耦合，而不匹配的視覺(jué)輻輳和視覺(jué)調(diào)節(jié)會(huì)造成用戶不適，亦即所謂的視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC）。

大多數(shù)人在觀看3D電影時(shí)都會(huì)注意到VAC：盡管焦點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)改變（電視或投影屏幕不會(huì)移動(dòng)……），但由于我們的眼睛看到略有不同的圖像（立體內(nèi)容），我們依然能夠感受到3D效果。在電影院中，焦平面由房間設(shè)置給出：如果你所坐的位置距離投影墻10米，焦平面就固定為10米。在這個(gè)距離下，人類(lèi)幾乎不能根據(jù)瞳孔焦點(diǎn)區(qū)分距離。所以，只要立體內(nèi)容停留在這個(gè)距離或更遠(yuǎn)，畫(huà)面看起來(lái)就會(huì)自然。

對(duì)于AR顯示器，焦平面是光學(xué)路徑的設(shè)計(jì)參數(shù)：即便顯示器與眼睛的距離只有幾厘米，焦距平面都總是設(shè)置得更遠(yuǎn)，因?yàn)槿祟?lèi)無(wú)法聚焦于這么短的距離，而且這沒(méi)有任何意義，因?yàn)樘摂M內(nèi)容會(huì)出現(xiàn)在更遠(yuǎn)距離。

下面的圖例說(shuō)明了正常視圖，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之間的差異：在正常視覺(jué)輻輳和視覺(jué)調(diào)節(jié)同步的情況下，兩者都調(diào)整到相同的距離；對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)，視覺(jué)輻輳始終位于相同的距離（通常約為兩米），而視覺(jué)調(diào)節(jié)取決于以立體形式渲染的屏幕內(nèi)容；對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，兩者的沖突甚至可以更大：通過(guò)虛擬內(nèi)容增強(qiáng)的對(duì)象看起來(lái)是與視覺(jué)調(diào)節(jié)同步，但對(duì)于真實(shí)對(duì)象和虛擬對(duì)象的視覺(jué)輻輳可能非常不同。

理想情況下，我們能夠?yàn)槊總€(gè)像素選擇不同的焦距，而且行業(yè)已經(jīng)演示了朝這個(gè)方向發(fā)展的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。但是，這種系統(tǒng)需要非常長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到商用水平。

正常視圖（左），虛擬現(xiàn)實(shí)（中）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（右）的視覺(jué)輻輳和視覺(jué)調(diào)節(jié)

如果我們必須使用單個(gè)焦平面的AR顯示器，設(shè)計(jì)師就需要決定放置它的位置。最適合大多數(shù)場(chǎng)景的情況似乎是2米左右。焦平面應(yīng)該為大致平坦且對(duì)所有顏色相同。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以在測(cè)量今天的AR顯示器時(shí)，你會(huì)注意到實(shí)際的焦點(diǎn)“平面”既不平坦，對(duì)所有顏色也不相同。

89che.com 尺寸，重量和形狀參數(shù)

顯示器尺寸和眼鏡尺寸是當(dāng)今AR設(shè)備最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。由于要求大視場(chǎng)和大視窗，所以很難令顯示器變小。這就像要求一輛小型卡車(chē)同時(shí)具備大卡車(chē)的運(yùn)載噸位。大型顯示器會(huì)導(dǎo)致整體體積龐大，從而又造成AR眼鏡實(shí)用性較差。眼鏡越大，用戶越容易撞到什么。

另外，較大的顯示器通常會(huì)導(dǎo)致更重的光學(xué)元件。由于質(zhì)量和折射率要求，當(dāng)今AR顯示器的眾多光學(xué)元件都是由玻璃制成，而隨著尺寸的增加，玻璃很快就會(huì)變得太重。

在2018年舉行的Oculus Connect 5大會(huì)中，邁克爾·亞伯拉什指出AR眼鏡的重量不應(yīng)該超過(guò)70克。尺寸和重量不是獨(dú)立于其他屬性的參數(shù)。人體頭部可以舒適地承受比70克更重的重量（如果重量分布均勻）。盡管承受很輕的重量都會(huì)很快造成鼻梁受傷，但耳朵可以承受更多的重量，而且頭頂更加堅(jiān)硬。重量分布比重量本身更為重要。例如，Meta2眼鏡不是很重，但由于糟糕的重量分布，它給前額施加了非常大的壓力。

89che.com 光學(xué)效率

光學(xué)效率是指發(fā)光元件所發(fā)出的光線有多少實(shí)際到達(dá)用戶眼睛。令人驚訝的是，今天大多數(shù)基于波導(dǎo)的顯示器在光學(xué)效率方面都非常低，大部分僅為約百分之一。幸運(yùn)的是，組合LCOS和LED的投影儀足夠亮，可以為波導(dǎo)提供足夠的光量。所以，OLED不是當(dāng)今波導(dǎo)的選擇。另一方面，對(duì)于組合器顯示器（如Meta2），我們可以通過(guò)組合器元件具有的透明度來(lái)很好地控制光學(xué)效率：組合器反射率越高，它的光學(xué)效率就越高。但這同時(shí)會(huì)反射更多的環(huán)境光，所以到達(dá)眼睛的環(huán)境光更少（透明度降低）。

波導(dǎo)是今天占主導(dǎo)地位的AR顯示技術(shù)。由于LCOS十分光亮但存在低對(duì)比度問(wèn)題，而有著高對(duì)比度的OLED則存在低亮度問(wèn)題，大多數(shù)人把目光投向了微型LED，因?yàn)檫@種類(lèi)型的顯示器有望實(shí)現(xiàn)更高的亮度水平。行業(yè)已經(jīng)演示了分辨率和尺寸足以支持AR顯示器的微型LED面板，但迄今為止都只是單色面板。要實(shí)現(xiàn)支持全RGB的類(lèi)似規(guī)格面板，行業(yè)尚需多年的時(shí)間發(fā)展。

89che.com 延遲

運(yùn)動(dòng)到光子延遲定義了從出現(xiàn)一個(gè)事件（運(yùn)動(dòng)）到顯示器顯示相應(yīng)更新所需的時(shí)間。例如，當(dāng)用戶將頭部向右旋轉(zhuǎn)時(shí)，顯示器索顯示的內(nèi)容必須相應(yīng)地“向左移動(dòng)”。對(duì)AR而言，延遲不是一個(gè)經(jīng)過(guò)充分研究的主題，這主要是因?yàn)樾袠I(yè)直到最近才實(shí)現(xiàn)了具有足夠低延遲的系統(tǒng)。但人們普遍認(rèn)為，對(duì)于光學(xué)透視顯示器，5毫秒或更短的延遲已經(jīng)足夠。

由于延遲問(wèn)題，標(biāo)注在快速頭部運(yùn)動(dòng)期間可能會(huì)從清晰位置（左側(cè)）移動(dòng)到不清晰的位置或錯(cuò)誤位置（右側(cè)）。

除了算法和其他電子組件，延遲主要是受顯示面板（OLED，LCOS）和顯示協(xié)議（MIPI，DisplayPort，HDMI）影響。延遲和顯示面板的選擇是一個(gè)復(fù)雜的主題，因?yàn)樗鼘?duì)電子組件和軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的影響。例如，執(zhí)行線序（“滾動(dòng)”）更新的OLED和執(zhí)行色序（“全局”）更新的LCOS有著完全不同的數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償策略。

89che.com 雜散光

大多數(shù)用戶和眼鏡廠商都渴望一種形狀與太陽(yáng)眼鏡類(lèi)似的AR眼鏡。盡管這聽(tīng)起來(lái)十分簡(jiǎn)單，但人們經(jīng)常會(huì)忽視一個(gè)問(wèn)題：雜散光。

AR眼鏡的敞開(kāi)程度越高，越多來(lái)至多余方向和光源的光線就能夠進(jìn)入系統(tǒng)。盡管AR顯示器通常能夠很好地應(yīng)對(duì)來(lái)自前方的環(huán)境光，但來(lái)自側(cè)面或用戶后方的光線會(huì)引起嚴(yán)重問(wèn)題。常規(guī)眼鏡通常不會(huì)反射太多光線，所以問(wèn)題不大。但AR顯示器必須反射和彎曲光線，所以更容易受到雜散光的影響。衍射波導(dǎo)特別受其影響，來(lái)自側(cè)面的光線會(huì)議彩虹偽影的形式出現(xiàn)在顯示器（參見(jiàn)下面的右圖）。反射波導(dǎo)的性能更好，但同樣存在這方面的問(wèn)題。某些設(shè)計(jì)可以減少雜散光，但對(duì)于其他設(shè)計(jì)而言，這個(gè)問(wèn)題不像衍射技術(shù)那樣容易解決。

左圖：來(lái)自兩邊的雜散光正反射進(jìn)入用戶眼睛；右圖：因雜散光造成的偽影

89che.com 視覺(jué)舒適度

在過(guò)去五十年間的頭顯發(fā)展中，業(yè)界投入了大量的努力來(lái)解決人類(lèi)因素問(wèn)題，尤其是立體圖形顯示器。視覺(jué)輻輳和視覺(jué)調(diào)節(jié)是一個(gè)眾所周知的問(wèn)題，另外還存在與雙眼視覺(jué)相關(guān)的其他問(wèn)題，而它們會(huì)對(duì)舒適性產(chǎn)生巨大影響。其中一個(gè)是被稱(chēng)為雙目垂直角差。當(dāng)雙目顯示器之間存在垂直視差或傾斜時(shí)，雙目垂直角差就會(huì)出現(xiàn)。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)難以忍受這一問(wèn)題，并且可能會(huì)導(dǎo)致頭暈，惡心，甚至嘔吐。有時(shí)人們認(rèn)為視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突是造成這種癥狀的原因，但實(shí)際上這是顯示器之間的輕微錯(cuò)位。1986年的美國(guó)海軍訓(xùn)練文本指出，為了避免眼睛疲勞，雙目鏡筒軸的垂直偏差δ不應(yīng)超過(guò)2弧分。

圖像的垂直偏差，亦即雙目垂直角差。這可能會(huì)導(dǎo)致用戶不適。右眼需要稍微旋轉(zhuǎn)才能整合的雙目圖像。

另一個(gè)可以影響舒適度的領(lǐng)域是雙目重疊量。例如，不必將左右圖像場(chǎng)完全重疊。實(shí)際上，通過(guò)故意不重疊雙目顯示來(lái)增加有效視場(chǎng)是一種常見(jiàn)的做法，這主要有兩種方式：眼睛發(fā)散重疊和眼睛會(huì)聚重疊。通常，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)可以容忍這種情況，因?yàn)橛捎诒亲拥挠绊懀笱酆陀已劭吹降默F(xiàn)實(shí)世界圖像不完全重疊。但在產(chǎn)生不適之前，用戶之間有著不同程度的部分重疊。90％的部分重疊可以接受，而當(dāng)重疊減少到70％時(shí)，表示不適的用戶數(shù)量有所增加。

部分重疊：左圖是眼睛發(fā)散部分重疊；右圖是眼睛會(huì)聚部分重疊

質(zhì)量中心是另一個(gè)重要元素。盡管不是非視覺(jué)要素，但不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可能會(huì)給用戶帶來(lái)不必要的頸部不適。需要合理安排顯示組件和驅(qū)動(dòng)電子的放置，這可以幫助最小化重心的任何偏移。如果用戶需要在一定角度范圍內(nèi)向上和向下查看，這可能是十分關(guān)鍵的一點(diǎn)。

3. 其他？

除了本文探討的話題之外，還存在尚未進(jìn)入商業(yè)系統(tǒng)的其他光學(xué)設(shè)計(jì)選項(xiàng)。今天大多數(shù)設(shè)備都能夠在固定距離顯示一個(gè)焦平面。Magic Leap One則更進(jìn)一步，能夠顯示兩個(gè)焦平面，但在顯示器質(zhì)量和透明度方面付出了巨大的代價(jià)。然而，人類(lèi)能夠區(qū)分大約十二種焦距，而目前的方法只能實(shí)現(xiàn)一兩個(gè)。所以，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始研究可調(diào)節(jié)的焦平面，但對(duì)于大多數(shù)AR設(shè)備而言，迄今為止所演示的方法都過(guò)于復(fù)雜。

尚未進(jìn)入商業(yè)系統(tǒng)的另一個(gè)功能是：在光學(xué)透視顯示器中繪制黑色像素。今天的無(wú)源光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兓旌犀F(xiàn)實(shí)和虛擬的工作純粹是添加性質(zhì)。對(duì)于黑色像素，我們需要能夠以每像素和每幀水平格擋真實(shí)世界光線。盡管LCD層可能是一種解決方案，但它會(huì)將顯示器的透明度降低一半，并產(chǎn)生極化環(huán)境光的問(wèn)題，所以這通常不是一種可行的解決方案。

我們同時(shí)沒(méi)有探討功耗和散熱的話題。人類(lèi)對(duì)靠近眼睛和臉部的熱源非常敏感。所以，頭顯在面部和太陽(yáng)穴區(qū)域消散的熱量不應(yīng)高超過(guò)一瓦特?；旧?，今天所有的AR設(shè)備都產(chǎn)生了過(guò)多的熱量。為了提高顯示器的亮度，光學(xué)設(shè)計(jì)必須變得更加有效，而不僅僅只是增加顯示器光源的屈光率。

4. 對(duì)未來(lái)的期待

一個(gè)常見(jiàn)的要求是擴(kuò)大視場(chǎng)和降低眼鏡尺寸（實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)鏡般的形狀參數(shù)），而這顯然不利于改進(jìn)我們上面討論的大多數(shù)參數(shù)。與電子設(shè)備不同，小型化通常不是光學(xué)設(shè)計(jì)的選擇或優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘?lái)縮小的參數(shù)，如焦距，視窗尺寸或適眼距。

除了少數(shù)參數(shù)之外，新的突破技術(shù)不太可能推動(dòng)上面的大多數(shù)要素。例如，全彩微型LED的出現(xiàn)將使得更亮的小型投影儀成為可能，但這對(duì)整體顯示器尺寸的影響有限。另一方面，光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)不太可能出現(xiàn)急劇的改變。

所以，我們需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)具備太陽(yáng)鏡形狀參數(shù)，大視場(chǎng)，高亮度，支持戶外用例，以及其他遠(yuǎn)見(jiàn)者所暢想的元素的AR眼鏡。與電池技術(shù)領(lǐng)域類(lèi)似，我們更有可能看到各參數(shù)的逐年提升。

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