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深入光学设计Birdbath 曲面反射和波导 浅谈AR头显工作原理

发布时间:2018-06-02 19:35

     

  2018年05月29日,加强现实头显是如斯的新鲜,以致于行业将有着判然不同设想的头显进行比力,仿佛它们是不异的手艺那般。这就像是将所有的山地自行车划分为“自行车”一样。但我们晓得,1万美元的Yeti山地自行车与179美元的Schwinn休闲自行车有着判然不同的体验。与自行车一样,分歧AR头显的体验可能具有庞大的差别。在这篇文章中,将与大师一路切磋光学设想,并讲解三种次要类型的头显:“Birdbath”;曲面反射镜(别名“虫眼”);以及反射/衍射波导。

  工作道理:Birdbath光学设想把来自显示源的光线(上图中的蓝线度角的分光镜(垂直于前额的黑色矩形)。分光镜具有反射和透射值(R / T),答应光线以R的百分比进行部门反射,而其余部门则以T值传输。同时具有R/T答应用户同时看到现实世界的物理对象,以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线弹到合成器上。这是一个凹面镜,能够把光线从头导向眼睛(上图中的虚线)。

  采用这种光学设想的次要头显包罗:联想Mirage AR头显与ODGR8和R9。

  硬件组件:像联想Mirage AR如许的低成本头显采用了LCD显示屏,而ODG R9如许更高级的系统则搭载OLED微型显示屏。微型显示屏价钱比力高贵,但可以或许大幅优化头显的尺寸。就光学而言,分光镜和组合器的单向镜在制形成本上凡是比力低。

  视场:这种设想具有中等视场。ODG R9有50度的FOV,与高端波导手艺比拟该范畴相对较高,但小于大大都的曲面镜设想。

  光损:在50/50分束器中,第一次反射时呈现50%的光损,当光线达到组合器时会有额外的丧失,并且当光线通过度束器前往时又发生别的50%的光损。为了填补较着的光损,透镜很是暗,雷同于在室内穿戴太阳眼镜。

  外形尺寸:若是把LCD作为显示器来历,光学限制将要求更大的头显设想。微型OLED能够削减头显的尺寸,但添加了供应链和成本方面的坚苦。

  图像质量:当光源从组合器里面和外面反射时,它可能会发生名为重影的伪影现象。

  因为显示器上的1080P图像呈现扩展,LCD显示屏将发生更大的像素(低像素密度)。微型显示器供给更高的像素密度,因而它们可以或许以很是小的尺寸生成高分辩率,但价格是亮度下降。

  透镜通明度:如前所述,厂商凡是把黑色透镜放在镜片的前面,使得你难以看到用户的眼睛,特别是在室内。

  工作道理:虫眼头显采用了相对简单的光学设想。它搭载了低成本的LCD显示源,以及带反射/透射(R/T)值的曲面反射镜。显示器发出的光线间接射至凹面镜/合成器,而且反射回眼内。显示源的抱负位置居中,并与镜面平行。从手艺上讲,抱负位置是令显示源笼盖用户的眼睛,所以大大都设想都将显示器移至“轴外”,设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器具有畸变,需要在软件/显示器端进行批改。

  硬件组件:LCD显示屏能够是手机或现成的LCD面板。虽然能够特地出产特地的透镜,但它们需要定制的光学镀膜。

  视场:因为显示器远离眼睛,视场能够较着大于当前的波导范畴(范畴在50至105度)。

  光损:因为光线仅通过一个组合器/透镜,光损限于“一次通过”,而且远低于Birdbath设想。

  外形尺寸:为了扩大数字图像,而且令其大到能够迭加在实在世界之中,LCD源与透镜的距离需要足够远。

  图像质量:像素密度可能是该设想的一个问题,出格是若是你将智妙手机用作光源。双LCD显示器是协助提高像素密度的一种方式。Leap Motion头显采用了两个1600×1440的LCD显示器。

  透镜通明度:我们能够通过较亮的LCD和较少的基板来减轻光损问题,这种显示器可供给更清晰的透镜(更高的R/T值)。如上图所示,Mira透镜的通明度足以让你看到用户的眼睛。

  工作道理:波导代表了光学手艺的一种新形式,在外形尺寸,清晰度和重影方面供给了显着的劣势,但手艺仍然处于开辟阶段。显示源凡是利用LCOS(硅基液晶)或DLP显示器。LCOS和DLP都通过衍射光栅发射准直光线。该衍射光栅能够从头导向光线,并最终构成扩大的图像,然后再将其投射到眼内。

  虽然波导显示器和高分辩率AR体验令人兴奋,但它们的制形成本很是昂扬,并且具有较着的废品率。估计波导价钱将跟着制造工艺的成长而降低,但它们目前仍是高端头显的成本大头。波导头显的零售价在3000美元至5000美元之间。

  硬件组件:衍射波导光学元件包罗多层布局,每种颜色都有一层。因为在纳米级别难以对齐衍射RGB层,所以在制造中具有很是的废品率。Lumus专有的反射波导避免了多层出产工艺,令出产过程变得愈加轻松。LCOS凡是用作显示源,由于它很是紧凑而且供给准直光(波导手艺的一项要求)。

  视场:与其他显示器比拟,这种光学设想的视场很是小。在今天,40度视场是尺度,而厂商正勤奋在不损害质量的环境下实现50度视场。

  图像质量:波导显示器的亮度在所有光学设想中排名第一,并且没有重影现象。今天大部门的显示器都是720P,但这种环境将很快发生改变。在CES2018大会上,Lumus的显示器曾经支撑1080P和40度视场。

  外形尺寸:这项手艺正越来越接近于眼镜形态,但AR头显需要搭载其他元件:显示源,摄像头和IMU,所以我们在近期内无法实现太阳眼镜般的外形尺寸。

  透镜通明度:不需要着色。如DAQRI头显所示,透镜很是清晰,可供室内利用。

  像所有硬件产物一样,上述头显的设想都是颠末了一系列的衡量。厂商需要细心均衡每个电子元件的长处与错误谬误,位置,分量,尺寸,价钱等方面,而每个选项都对设想发生庞大的影响。分析考虑材料的易用性和成本,我们认为LCD曲面镜/虫眼设想是当前最容易理解的选择。但这种设想选择并不是AR头显的持久成长标的目的。跟着出产线的逐步添加与出产工艺的成长,它们将很快由微型显示器和/或波导管代替。作为消费者,这个将来令人感应兴奋。





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