發(fā)布時(shí)間:2017-04-13 10:32 | 標(biāo)簽:
AR/VR眼鏡 LCD
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在4月26日舉行的2017 CITE 全球VR/AR開發(fā)者應(yīng)用分享峰會(huì)上,深圳納德光學(xué)有限公司CEO彭華軍為大家?guī)?lái)了主題為《AR/VR眼鏡中顯示與光學(xué)》的演講。在演講中,彭華軍簡(jiǎn)單而生動(dòng)的為大家揭示了AR/VR顯示屏技術(shù)和光學(xué)系統(tǒng)的概念。
彭華軍2005年畢業(yè)于香港科技大學(xué)顯示技術(shù)研究中心(CDR),師從國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)副主席郭海成教授,在讀期間從事硅基液晶器件、AMOLED材料與器件、TFT器件、顯示光學(xué)等研發(fā)工作,涵蓋電視圖像色彩管理、AMOLED生產(chǎn)制造、微顯示芯片設(shè)計(jì)與制造、投影與近眼顯示光學(xué)等。
光學(xué)在頭戴式顯示器中是非常重要的,不管是AR還是VR。其實(shí)AR和VR并不是一個(gè)很新鮮的事物,從技術(shù)來(lái)看的話已經(jīng)有一百多年的歷史。它們真正形成一種產(chǎn)品是在上世紀(jì)60年代,由美國(guó)的NASA開發(fā)。
早期這些技術(shù)應(yīng)用在飛行員訓(xùn)練上,到了2010年之后才逐漸走向民用化。包括2013年的谷歌眼鏡,到2014年的Oculus,都掀起了整個(gè)AR、VR的浪潮。它的原理比較簡(jiǎn)單,就是光學(xué)的儀器和顯示器結(jié)合,讓用戶感受到沉浸感。原理很簡(jiǎn)單,但涉及到的工程還是蠻多的,涉及到的產(chǎn)業(yè)鏈和傳統(tǒng)的也有區(qū)別。它里面技術(shù)的綜合性很強(qiáng)。
從顯示系統(tǒng)來(lái)看,第一個(gè)就是像源,第二個(gè)就是光學(xué),第三個(gè)是我們的感知。接下來(lái)重點(diǎn)給大家介紹一下像源技術(shù)和光學(xué)技術(shù)。
像源系統(tǒng)中第一個(gè)就是手機(jī)。手機(jī)屏幕運(yùn)用比較多的是LCD屏,高科技產(chǎn)品用的比較多的是LTPS(Low Temperature Poly-silicon,低溫多晶硅)技術(shù)設(shè)計(jì),可以做的比較精細(xì),有幾百個(gè)ppi(Pixels Per Inch,像素的密度)。
這類型屏通常是大于3寸的,一般在5寸-6寸之間。還有一種是微顯示屏,比如投影機(jī)里面就運(yùn)用到很多微顯示屏。它里面有很小的屏幕,通過(guò)光學(xué)來(lái)放大圖像。在做眼鏡的時(shí)候也可以用到這種微顯示屏。微顯示屏的ppi會(huì)更多一點(diǎn)。
這兩種屏幕都會(huì)用在VR眼鏡里面,可以形成超過(guò)100度的視場(chǎng)角,很有沉浸感。但是超大的視場(chǎng)角會(huì)帶來(lái)一些問題,比如彩虹效應(yīng),還有像素點(diǎn)特別明顯。
在AR/VR眼鏡中我們也會(huì)談一些參數(shù)。
在手機(jī)中是ppi,在眼鏡中是PPD( Pixel Per Degree,每度像素?cái)?shù))。
這個(gè)數(shù)值越大就說(shuō)明對(duì)細(xì)節(jié)的顯示越精細(xì)。
目前的HTC Vive、Oculus和PSVR的PPD都不大,只有十幾左右。但是我們?nèi)搜鄣腜PD達(dá)到了50。因此目前手機(jī)屏幕要去除顆粒感還是比較難的,因?yàn)槿搜蹖?duì)PPD的感知是它們屏幕的幾倍。只有將手機(jī)屏幕的PPD提高2-3倍才會(huì)達(dá)到比較好的效果。
以下這張AR/VR眼鏡的示意圖,橫坐標(biāo)是FOV,縱坐標(biāo)是PPD。
AR眼鏡不出意外都采用了微顯示屏,而右下角的VR眼鏡都用了手機(jī)顯示屏。我們?nèi)搜蹖?duì)圖像的精細(xì)度會(huì)更敏感一些,如果為了大FOV而犧牲了精細(xì)度可能會(huì)得不償失。
微顯示技術(shù)LCoS(Liquid Crystal on Silicon,硅基液晶)最早的應(yīng)用是在微投影,技術(shù)可以在芯片上集成超高精細(xì)度的像素點(diǎn),精細(xì)度可達(dá)6000dpi。這個(gè)領(lǐng)域的主要研究企業(yè)Kopin和京東方成立了合資公司,專門為AR/VR設(shè)備開發(fā)OLED顯示屏。
LCoS、OLED和LCD這幾個(gè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)各有不同。
LCoS亮度很高,因此HoloLens就采用了這種技術(shù)。還有谷歌眼鏡也用了LCoS,在戶外會(huì)看的比較清楚,因?yàn)橛脩艏刃枰辞鍒D像也需要看清真實(shí)的背景中的物體。
OLED在光學(xué)性能上比較強(qiáng),對(duì)比度非常好,因此圖像很漂亮,但是亮度不高,因此做AR眼鏡局限比較大。
有沒有可能出現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)都滿分的技術(shù)?未來(lái)還是有可能的,要看微顯示技術(shù)如何更好的迭代。
接下來(lái)我們來(lái)看光學(xué)。人眼無(wú)法區(qū)分一個(gè)智能眼鏡產(chǎn)品到底是光學(xué)不好還是顯示屏不好。
但是視場(chǎng)角是光學(xué)決定的;顯示屏離人眼的遠(yuǎn)近也是光學(xué)設(shè)計(jì)決定的。還有視距,顯示屏?xí)粫?huì)稍微偏一點(diǎn)就看不清了,還是說(shuō)偏個(gè)幾毫米也能看的清楚,這些都是由光學(xué)決定的。
以下這個(gè)FOV與顯示屏尺寸、光學(xué)系統(tǒng)尺寸的關(guān)系公式是眼鏡行業(yè)中最最基本和重要的公式。
它的左邊是FOV,F(xiàn)OV越大帶來(lái)的沉浸感就越好。公式右邊,D是顯示屏的尺寸,D越大'對(duì)應(yīng)的FOV也就越大。還有一個(gè)分母對(duì)應(yīng)的是光學(xué)系統(tǒng),
光學(xué)系統(tǒng)越小則系統(tǒng)焦距越短,可以增大FOV,但相應(yīng)眼鏡物理體積也會(huì)增大,制造難度加大。 而且光學(xué)系統(tǒng)的F number(光圈值)不像摩爾定律,隔幾年會(huì)有一個(gè)增長(zhǎng)。這個(gè)數(shù)字非常的難提升?,F(xiàn)在的F number到2已經(jīng)非常難了,到1.5則是極其痛苦的。
這個(gè)數(shù)值直接限制了整個(gè)眼鏡的物理形態(tài)的提升。
我們?cè)谠u(píng)價(jià)眼鏡時(shí)一般會(huì)參考這三個(gè)參數(shù)。
第一個(gè)就是視場(chǎng)角。
第二個(gè)是眼距,也就是這個(gè)眼鏡離我的眼睛是遠(yuǎn)還是近,如果太近就會(huì)碰到睫毛從而導(dǎo)致不舒適。合適的眼距應(yīng)當(dāng)大于12mm。如果在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)不考慮這些參數(shù),那么出來(lái)的成品一定會(huì)有很多瑕疵。
第三個(gè)是眼動(dòng)范圍,這個(gè)是光學(xué)系統(tǒng)中最重要的參數(shù),因?yàn)樗歉覀內(nèi)搜巯嚓P(guān)的參數(shù)。我們的瞳孔平均直徑為4毫米左右,光亮的環(huán)境中會(huì)縮小,昏暗時(shí)會(huì)放大。那么這就對(duì)出瞳的設(shè)計(jì)要求很精細(xì)。哪怕只是一毫米的偏差都會(huì)影響到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的體驗(yàn)。
目前在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上通用的幾種技術(shù)有傳統(tǒng)共軸目鏡,還有現(xiàn)在比較流行的光波導(dǎo)技術(shù)。
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