Analyse der Near-Eye-Display (NED)-Technologie

Ein Near-Eye-Display (NED) ist ein Anzeigegerät, das für die Verwendung in unmittelbarer Nähe des Auges konzipiert ist – typischerweise nur wenige Zentimeter entfernt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bildschirmen, die aus der Ferne betrachtet werden, nutzt ein NED ein hochentwickeltes optisches System, um die von einem internen Mikrodisplay erzeugten Bilder in ein größeres, weiter entferntes virtuelles Bild zu projizieren.

Was der Nutzer wahrnimmt, ist nicht das Display selbst, sondern ein virtuelles Bild, das in angenehmer Betrachtungsentfernung optisch dargestellt wird. Diese Fähigkeit ist von grundlegender Bedeutung für die Schaffung immersiver und natürlicher visueller Erlebnisse, insbesondere bei tragbaren Systemen, bei denen Größe, Gewicht und Stromverbrauch strenge Beschränkungen unterliegen.

Folglich werden NEDs zunehmend als zentrale Basistechnologie für moderne AR- und VR-Systeme anerkannt, bei denen die Balance zwischen Anzeigeleistung, optischer Effizienz und Benutzerkomfort von entscheidender Bedeutung ist. Da sich die Branche hin zu praktischeren, alltagstauglichen tragbaren Geräten bewegt, hat sich die Rolle von augennahen Displays von einer experimentellen Komponente zu einem entscheidenden Faktor für den Produkterfolg entwickelt.

NEDs sind am häufigsten in Head-Mounted-Displays (HMDs) und Datenbrillen zu finden und dienen als Kerntechnologie für Virtual-Reality- (VR), Augmented-Reality- (AR) und Mixed-Reality-Erlebnisse (MR).

Wichtige optische Komponenten von Near-Eye-Displays

Obwohl Near-Eye-Displays (NEDs) ein futuristisches Aussehen haben, bestehen ihre optischen Systeme tatsächlich aus nur drei Schlüsselkomponenten. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um das Bild von einem Mikrodisplay in ein breites, komfortables virtuelles Bild umzuwandeln, das direkt vor den Augen des Benutzers zu schweben scheint.

Anzeige / Lichtquelle

Bei augennahen Anzeigesystemen ist das Display (manchmal auch als Lichtquelle oder Lichtmaschine bezeichnet) die Kernkomponente, die für die Erzeugung oder Modulation des Bildes verantwortlich ist. Vereinfacht gesagt entsteht hier das Bild, bevor es durch optische Elemente geführt und geformt wird.

Die Display-/Licht-Engine ist für die gesamte visuelle Leistung von entscheidender Bedeutung und beeinflusst direkt die Bildklarheit, Farbqualität, Helligkeit, Energieeffizienz und Bewegungsflüssigkeit. Je nach den spezifischen Anforderungen von AR-, VR- oder MR-Systemen kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Zu den gängigen Anzeige- und Lichterzeugungstechnologien in augennahen optischen Systemen gehören:

LCoS (Liquid Crystal on Silicon): Eine reflektierende Mikrodisplay-Technologie, die häufig in AR-Lichtmaschinen verwendet wird. LCoS ist für seine hohe Auflösung und hervorragende Bildgleichmäßigkeit bekannt und wird häufig mit externen Lichtquellen und Projektionsoptiken verwendet.

MicroLED: Eine selbstleuchtende Mikrodisplay-Technologie, die extrem hell und energieeffizient ist. Diese Eigenschaften machen sie besonders vorteilhaft für durchsichtige AR-Displays, bei denen die Überwindung von Störungen durch Umgebungslicht von entscheidender Bedeutung ist.

LBS (Laser Beam Scanning): Eine Anzeigetechnologie, die Bilder durch Scannen eines Laserstrahls erzeugt. LBS kann ein kompaktes und dünnes optisches Design erreichen und eine hohe Helligkeitsleistung erzielen, was es zur idealen Wahl für dünne und leichte AR-Brillen macht.

OLED (Organic Light-Emitting Diode): Eine selbstleuchtende Display-Technologie, die für ihre schnelle Reaktionszeit, hohen Kontrast und satte Farben bekannt ist. OLED wird häufig in augennahen VR- und MR-Displays verwendet, und Helligkeit und Lebensdauer sind wichtige Aspekte bei der Anwendung in AR.

LCD (Liquid Crystal Display): Eine Lichtmodulationstechnologie, die eine externe Hintergrundbeleuchtung erfordert. Obwohl es im Vergleich zu neuen Mikrodisplay-Technologien eine wichtige historische Stellung einnimmt, ist sein Kontrastverhältnis geringer und seine Reaktionsgeschwindigkeit langsamer, sodass seine Anwendung in High-End-Near-Eye-Displays relativ begrenzt war.

DLP/DMD-System: eine Anzeigetechnologie, die Licht durch ein Mikrospiegel-Array moduliert. DLP/DMD-Systeme können eine hohe Helligkeit und präzise Bildsteuerung bieten, aber wenn sie auf augennahe Geräte angewendet werden, müssen Systemgröße, Stromverbrauch und optische Komplexität sorgfältig verwaltet werden.

Optischer Strahlvereiniger

Ein optischer Kombinierer steuert, wie Bilder an die Augen des Benutzers übertragen werden und wie sie mit der realen Welt verschmelzen. Seine Funktion variiert je nach den Designzielen des Systems – ob das Ziel ein vollständig immersives Erlebnis oder die Überlagerung digitaler Inhalte mit der physischen Umgebung ist.

In immersiven Systemen wie VR-Headsets verteilt der optische Kombinierer Bilder auf beide Augen und blockiert gleichzeitig externes Licht, sodass der Benutzer vollständig in eine virtuelle Umgebung eintauchen kann.

In durchsichtigen Systemen wie AR-Brillen spielt der optische Kombinierer eine komplexere Rolle. Es muss digitale Bilder nahtlos mit Licht aus der realen Welt verschmelzen und sicherstellen, dass Grafiken, Texte oder virtuelle Objekte stabil und komfortabel in die tatsächliche Umgebung des Benutzers integriert werden. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, ist eine präzise Kontrolle der optischen Effizienz, Helligkeit und Transparenz erforderlich.

Da AR-Geräte zunehmend Einzug in den Alltag halten, ist der optische Kombinierer zu einer der anspruchsvollsten und entscheidendsten Komponenten im Design augennaher Displays geworden. Seine Leistung wirkt sich erheblich auf die Systemgröße, die visuelle Qualität und den Benutzerkomfort aus und bestimmt letztendlich, ob die augennahe Anzeige den Benutzer von der Realität isoliert oder sie erweitert.

Abbildungsoptik

Das optische Abbildungssystem ist dafür verantwortlich, das Bild vom Mikrodisplay zu vergrößern und es als breites, komfortables visuelles Bild darzustellen. Diese Linsen oder optischen Elemente formen, vergrößern und fokussieren das Licht, sodass das Bild in einem natürlichen Betrachtungsabstand und nicht direkt vor den Augen erscheint.

Derzeit gibt es zwei Hauptdesignansätze:

Ein Austrittspupillen-bildendes System erweitert den Austrittspupillenbereich, indem es ein Zwischenbild erzeugt, das es dem Benutzer ermöglicht, auch bei Augenbewegungen eine klare Sicht zu behalten und so verhindert, dass das Bild durch Verschiebungen in der Blickrichtung verloren geht.

Ein System, das keine Austrittspupillen bildet, lenkt nahezu paralleles Licht in das Auge und präsentiert das Bild aus einer größeren Sehentfernung, was zur Reduzierung der Augenbelastung beiträgt.

Sein Hauptziel besteht darin, die visuelle Klarheit zu gewährleisten und gleichzeitig die natürlichen Augenbewegungen zu berücksichtigen und den Komfort bei längerem Gebrauch aufrechtzuerhalten.

Diese drei Komponenten bilden ein vollständiges optisches System, wobei das menschliche Auge als letztes Glied dient. Der Bildgenerator erstellt den visuellen Inhalt; die Abbildungsoptik vergrößert und formt das Bild; und der optische Kombinierer bestimmt, wie das Bild dem Auge zugeführt wird und ob es mit der realen Welt verschmilzt.

Anstatt Bilder auf eine physische Oberfläche zu projizieren, erzeugt das System direkt ein virtuelles Bild und eine virtuelle Austrittspupille. Wenn sich das Auge innerhalb dieser Zone befindet, fokussiert die Linse das Licht direkt auf die Netzhaut, sodass das Bild des Mikrodisplays wie ein riesiger, im Raum schwebender Bildschirm erscheint.

Stellen Sie sich ein augennahes Display wie ein High-Tech-Fenster vor: Der Bildgenerator stellt die im Fenster angezeigte Szene dar; Die Abbildungsoptik fungiert als Spezialglas, das die Szene breiter und weiter entfernt erscheinen lässt. und der optische Kombinierer bestimmt, ob das Fenster transparent oder undurchsichtig ist. Zusammen erzeugen diese Elemente ein Gefühl von Tiefe, Größe und Immersion und definieren das einzigartige visuelle Erlebnis einer augennahen Anzeige.

Herausforderungen bei der NED-Messung

Die Messung und Auswertung von Near-Eye-Displays (NEDs) unterscheidet sich grundlegend von den Prüfmethoden herkömmlicher Bildschirme. Da diese Geräte speziell für die Schnittstelle zum menschlichen Auge konzipiert sind, muss das Messsystem weit mehr leisten, als nur Licht zu erfassen. Es muss die Geometrie, Bewegung und Wahrnehmungseigenschaften des menschlichen Auges simulieren und Messungen innerhalb einer winzigen „Augenbox“ durchführen, indem es die Eintrittspupille der Kamera genau dort positioniert, wo sich das tatsächliche Auge befinden würde, und gleichzeitig die Augenrotations- und Fokussierungsmechanismen berücksichtigt.

Diese einzigartigen Anforderungen machen die NED-Messung zu einem der anspruchsvollsten Aspekte der Display-Messtechnik; Es untermauert auch direkt die beiden Kernfaktoren, die über Erfolg oder Misserfolg des Near-Eye-Display-Erlebnisses entscheiden: Komfort und Immersion.

Komfort

Der Komfort bestimmt, ob ein Near-Eye-Display (NED) eine natürliche, längere Nutzung ermöglicht, ohne dass es zu Ermüdung oder Unbehagen kommt. Messtechnik hilft Ingenieuren dabei, Probleme zu identifizieren und zu lösen, die sich auf das Sehvermögen, den Gleichgewichtssinn und das gesamte körperliche Erlebnis des Benutzers auswirken.

Eine der kritischsten Herausforderungen ist der Vergence-Accommodation Conflict (VAC). Beim natürlichen Sehen konvergieren die Augen nach innen, um ein Objekt zu fixieren, während sie gleichzeitig ihre Brennweite an die Position dieses Objekts anpassen. In vielen NED-Systemen können die Augen jedoch auf ein virtuelles Objekt konvergieren, während die Brennweite auf einem anderen optischen Abstand fixiert bleibt. Diese Diskrepanz ist eine der Hauptursachen für Überanstrengung der Augen, Müdigkeit, Schwindel und Übelkeit, weshalb die VAC sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Messung oberste Priorität hat.

Ebenso wichtig ist das Hardware-Design. Da es sich bei NEDs um kopfmontierte Geräte handelt, wirken sich Gewicht, Abmessungen und Schwerpunktbalance direkt auf den Tragekomfort aus. Selbst bei hervorragender Anzeigequalität erschwert ein zu schweres oder schlecht ausbalanciertes Gerät dem Benutzer eine längere Nutzung. Dabei spielt die Messtechnik eine zentrale Rolle und stellt sicher, dass optische Designs einen kompakten, leichten Formfaktor erreichen, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die räumliche Konfiguration, die typischerweise anhand von Augenabstand und Augenabstand beschrieben wird. Der Augenabstand bezieht sich auf den Abstand zwischen der endgültigen optischen Oberfläche und der Austrittspupille – normalerweise etwa 20 bis 25 Millimeter –, während der Augenabstand den Abstand von der endgültigen optischen Oberfläche zur idealen Augenposition bezeichnet. Die genaue Kontrolle dieser Abstände ist wichtig, um den Tragekomfort, die Kompatibilität mit Brillen und die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Eng damit verbunden ist die „Augenbox“, die den räumlichen Bereich definiert, innerhalb dessen sich das Auge bewegen kann, während es weiterhin das vollständige Bild betrachtet. Eine gut gestaltete Augenbox ermöglicht natürliche Augenbewegungen ohne Bildbeschneidung oder Verzerrung. Messtechniken müssen sowohl die Größe als auch die Position der Augenbox bewerten, um ein gleichbleibend angenehmes Erlebnis für verschiedene Benutzer zu gewährleisten.

Darüber hinaus muss das System das Vestibularsystem des Benutzers berücksichtigen – das sensorische System, das für Gleichgewicht und räumliche Orientierung verantwortlich ist. Wenn visuelle Signale von einem oder beiden Augen falsch ausgerichtet sind, kann das Gehirn sie als widersprüchliche Bewegungsinformationen interpretieren, was möglicherweise zu Unwohlsein oder Reisekrankheit führt. Eine präzise Messung hilft, solche sensorischen Inkonsistenzen zu vermeiden.

Eintauchen

Immersion bestimmt den Realismus und die Fluidität einer virtuellen Erfahrung. Ein hoch immersives Near-Eye Display (NED) sorgt dafür, dass digitale Inhalte stabil, reaktionsschnell und optisch lebensecht sind.

Das Sichtfeld (FOV) ist ein entscheidender Faktor, der die Immersion beeinflusst. Ein breiteres Sichtfeld füllt den visuellen Raum des Benutzers größer aus und verstärkt das Gefühl der Präsenz, bringt jedoch häufig Kompromisse mit sich, wie z. B. eine verringerte Auflösung oder einen kleineren Eyebox. Gerade bei der optimalen Balance dieser Kompromisse spielt die Messtechnik eine entscheidende Rolle.

Auflösung und Bildschärfe sind ebenfalls von zentraler Bedeutung für die visuelle Qualität. Eine unzureichende Pixeldichte kann zum „Screen-Door-Effekt“ führen, bei dem einzelne Pixel oder die Lücken zwischen ihnen deutlich sichtbar werden. Bei augennahen Displays wird die Auflösung typischerweise in Pixel pro Grad (PPD) gemessen und stellt die Anzahl der Pixel dar, die in jedem Grad des Sichtfelds des Benutzers angezeigt werden.

PPD ist eine der kritischsten Leistungsmetriken für AR- und VR-Systeme; Höhere Werte bedeuten schärfere Bilder und ein natürlicheres visuelles Erlebnis.

Messsysteme nutzen Werkzeuge wie die Modulation Transfer Function (MTF)-Analyse, um Auflösung und Bildklarheit zu bewerten und so die Fähigkeit des optischen Systems zur Wiedergabe feiner Details zu beurteilen. Durch die Kombination von PPD-Messungen mit der MTF-Analyse können Ingenieure umfassend bewerten, ob ein Display ausreichend Klarheit bietet, um ein komfortables und immersives Benutzererlebnis zu bieten.

Helligkeit und Kontrast wirken sich erheblich auf Realismus und Lesbarkeit aus. Immersive Displays erfordern einen hohen Kontrast, um tiefe Schwarztöne wiederzugeben, während durchsichtige AR-Systeme sicherstellen müssen, dass digitale Inhalte vor hellen, komplexen realen Hintergründen deutlich sichtbar bleiben.

Die Latenz ist ein weiterer kritischer Parameter, der sich auf das Eintauchen auswirkt. Jede spürbare Verzögerung zwischen der Kopfbewegung und der Aktualisierung der visuellen Anzeige zerstört das Gefühl der Präsenz und kann sogar Reisekrankheit auslösen. Präzise Messungen stellen sicher, dass die Reaktionsfähigkeit des Systems schnell und stabil bleibt.

Bei durchsichtigen Displays ist die Steuerung der Schärfentiefe besonders wichtig – Benutzer müssen in der Lage sein, sowohl digitale Inhalte als auch physische Objekte gleichzeitig klar zu sehen, ohne häufig neu fokussieren zu müssen; andernfalls bricht das Gefühl des Eintauchens sofort zusammen.

Quelle: UPRtek