تجزیه و تحلیل فناوری Near-Eye Display (NED).

نمایشگر نزدیک چشم (NED) یک دستگاه نمایشگر است که برای استفاده در نزدیکی چشم طراحی شده است - معمولاً فقط چند سانتی متر دورتر. برخلاف صفحه‌نمایش‌های سنتی که از فاصله دور مشاهده می‌شوند، یک NED از یک سیستم نوری پیچیده برای نمایش تصاویر تولید شده توسط یک میکرو نمایش داخلی به یک تصویر مجازی بزرگ‌تر و دورتر استفاده می‌کند.

آنچه کاربر درک می کند خود پنل نمایش نیست، بلکه یک تصویر مجازی است که به صورت نوری در فاصله دید راحت ارائه شده است. این قابلیت برای ایجاد تجربیات بصری همهجانبه و طبیعی، به ویژه در سیستم‌های پوشیدنی که اندازه، وزن و مصرف انرژی به شدت محدود هستند، اساسی است.

در نتیجه، NED ها به طور فزاینده ای به عنوان یک فناوری فعال کننده هسته برای سیستم های AR و VR مدرن شناخته می شوند، جایی که متعادل کردن عملکرد نمایشگر، کارایی نوری و راحتی کاربر بسیار مهم است. همانطور که صنعت به سمت ابزارهای پوشیدنی کاربردی تر و روزمره پیش می رود، نقش نمایشگرهای نزدیک چشم از یک جزء آزمایشی به یک عامل تعیین کننده در موفقیت محصول تبدیل شده است.

NED ها بیشتر در نمایشگرهای نصب شده روی سر (HMD) و عینک های هوشمند یافت می شوند که به عنوان فناوری اصلی پشت تجربیات واقعیت مجازی (VR)، واقعیت افزوده (AR) و واقعیت ترکیبی (MR) عمل می کنند.

اجزای نوری کلیدی نمایشگرهای نزدیک چشم

در حالی که نمایشگرهای نزدیک چشم (NED) ممکن است ظاهری آینده نگرانه داشته باشند، سیستم های نوری آنها در واقع فقط از سه جزء کلیدی تشکیل شده است. این مولفه ها با هم کار می کنند تا تصویر را از یک میکرو نمایشگر به یک تصویر مجازی گسترده و راحت تبدیل کنند که به نظر می رسد درست در مقابل چشمان کاربر شناور است.

صفحه نمایش / منبع نور

در سیستم‌های نمایش نزدیک به چشم، نمایشگر (گاهی اوقات به عنوان منبع نور یا موتور نور شناخته می‌شود) جزء اصلی است که مسئول تولید یا تعدیل تصویر است. به عبارت ساده، این جایی است که تصویر قبل از هدایت و شکل‌دهی توسط عناصر نوری منشأ می‌گیرد.

موتور نمایش/نور برای عملکرد کلی بصری بسیار مهم است و به طور مستقیم بر وضوح تصویر، کیفیت رنگ، روشنایی، بهره وری انرژی و سیالیت حرکت تأثیر می گذارد. بسته به نیازهای خاص سیستم‌های AR، VR یا MR از فناوری‌های مختلفی استفاده می‌شود. فناوری‌های متداول نمایشگر و موتورهای سبک که در سیستم‌های نوری نزدیک چشم یافت می‌شوند عبارتند از:

LCoS (کریستال مایع روی سیلیکون): یک فناوری ریزنمایش بازتابنده که معمولاً در موتورهای سبک AR استفاده می شود. LCoS که به دلیل وضوح بالا و یکنواختی تصویر عالی شناخته شده است، اغلب با منابع نور خارجی و اپتیک های پروجکشن استفاده می شود.

MicroLED: یک فناوری میکرو نمایشگر خودنور که بسیار روشن و کارآمد است. این ویژگی‌ها آن‌ها را به‌ویژه در نمایشگرهای شفاف AR سودمند می‌سازد، جایی که غلبه بر تداخل نور محیط بسیار مهم است.

LBS (Laser Beam Scanning): یک فناوری نمایشگر است که تصاویر را با اسکن پرتو لیزر تولید می کند. LBS می تواند به یک طراحی اپتیکال فشرده و نازک دست یابد و به عملکرد روشنایی بالا دست یابد، که آن را به گزینه ای ایده آل برای عینک های AR نازک و سبک تبدیل می کند.

OLED (Organic Light-Emitting Diode): یک فناوری نمایشگر خودنور که به دلیل زمان پاسخگویی سریع، کنتراست بالا و رنگ های غنی شناخته شده است. OLED به طور گسترده در نمایشگرهای VR و MR نزدیک چشم استفاده می شود و روشنایی و عمر مفید ملاحظات مهمی هستند که در AR اعمال می شوند.

LCD (نمایشگر کریستال مایع): یک فناوری مدولاسیون نور که به نور پس زمینه خارجی نیاز دارد. اگرچه در مقایسه با فناوری‌های جدید میکرو نمایشگر، موقعیت تاریخی مهمی دارد، اما نسبت کنتراست آن کمتر و سرعت پاسخ‌دهی آن کندتر است، بنابراین کاربرد آن در نمایشگرهای نزدیک چشمی سطح بالا نسبتاً محدود بوده است.

سیستم DLP/DMD: یک فناوری نمایشگر که نور را از طریق یک آرایه میکرو آینه تعدیل می کند. سیستم‌های DLP/DMD می‌توانند روشنایی بالا و کنترل دقیق تصویر را ارائه دهند، اما زمانی که برای دستگاه‌های نزدیک چشم اعمال می‌شوند، اندازه سیستم، مصرف انرژی و پیچیدگی نوری همه باید به دقت مدیریت شوند.

ترکیب کننده پرتو نوری

یک ترکیب کننده نوری نحوه انتقال تصاویر به چشم کاربر و ترکیب آنها با دنیای واقعی را کنترل می کند. عملکرد آن بسته به اهداف طراحی سیستم متفاوت است - خواه هدف یک تجربه کاملاً فراگیر باشد یا همپوشانی محتوای دیجیتال بر روی محیط فیزیکی.

در سیستم‌های فراگیر مانند هدست‌های واقعیت مجازی، ترکیب‌کننده نوری تصاویر را در هر دو چشم توزیع می‌کند و در عین حال مانع از نور خارجی می‌شود و به کاربر اجازه می‌دهد تا به طور کامل در یک محیط مجازی غوطه‌ور شود.

در سیستم‌های شفاف مانند عینک‌های AR، ترکیب‌کننده نوری نقش پیچیده‌تری ایفا می‌کند. باید به طور یکپارچه تصاویر دیجیتال را با نور دنیای واقعی ترکیب کند و اطمینان حاصل کند که گرافیک، متن یا اشیاء مجازی به طور پایدار و راحت با محیط واقعی کاربر ادغام می شوند. دستیابی به این تعادل مستلزم کنترل دقیق بازده نوری، روشنایی و شفافیت است.

همانطور که دستگاه های AR به طور فزاینده ای وارد زندگی روزمره می شوند، ترکیب کننده نوری به یکی از چالش برانگیزترین و محوری ترین اجزای طراحی نمایشگر نزدیک چشم تبدیل شده است. عملکرد آن به طور قابل توجهی بر اندازه سیستم، کیفیت بصری و راحتی کاربر تأثیر می گذارد و در نهایت تعیین می کند که آیا نمایشگر نزدیک چشم کاربر را از واقعیت جدا می کند یا آن را تقویت می کند.

اپتیک تصویربرداری

سیستم نوری تصویربرداری وظیفه بزرگنمایی تصویر از میکرو نمایشگر و ارائه آن به عنوان یک تصویر بصری وسیع و راحت را بر عهده دارد. این لنزها یا عناصر نوری نور را شکل می دهند، بزرگ می کنند و متمرکز می کنند و به تصویر اجازه می دهند در فاصله دید طبیعی به جای درست جلوی چشم ظاهر شود.

در حال حاضر دو رویکرد اصلی طراحی وجود دارد:

یک سیستم تشکیل‌دهنده مردمک خروجی، محدوده خروجی مردمک را با تولید یک تصویر میانی گسترش می‌دهد و به کاربر اجازه می‌دهد حتی با حرکت چشمانش، دید واضحی داشته باشد و در نتیجه از گم شدن تصویر به دلیل جابه‌جایی در خط دید جلوگیری می‌کند.

یک سیستم تشکیل‌دهنده مردمک بدون خروج نور تقریباً موازی را به داخل چشم هدایت می‌کند و تصویر را در فاصله بصری بیشتری نشان می‌دهد که به کاهش فشار چشم کمک می‌کند.

هدف اصلی آن اطمینان از وضوح بصری و در عین حال سازگاری با حرکت طبیعی چشم و حفظ راحتی در طول استفاده طولانی مدت است.

این سه جزء یک سیستم نوری کامل را تشکیل می دهند که چشم انسان به عنوان پیوند نهایی عمل می کند. مولد تصویر محتوای بصری را ایجاد می کند. اپتیک تصویربرداری تصویر را بزرگ کرده و شکل می دهد. و ترکیب کننده نوری تعیین می کند که چگونه تصویر به چشم منتقل می شود و آیا با دنیای واقعی ترکیب می شود یا خیر.

به جای نمایش تصاویر بر روی یک سطح فیزیکی، سیستم به طور مستقیم یک تصویر مجازی و یک مردمک خروجی مجازی تولید می کند. هنگامی که چشم در این ناحیه قرار می گیرد، لنز نور را مستقیماً روی شبکیه متمرکز می کند و باعث می شود که تصویر میکرو نمایشگر به عنوان یک صفحه نمایش عظیم معلق در فضا به نظر برسد.

یک نمایشگر نزدیک به چشم را به عنوان یک پنجره با تکنولوژی بالا در نظر بگیرید: مولد تصویر صحنه نمایش داده شده در پنجره را نشان می دهد. اپتیک های تصویربرداری مانند شیشه خاصی عمل می کنند که صحنه را وسیع تر و دورتر نشان می دهد. و ترکیب کننده نوری شفاف یا مات بودن پنجره را تعیین می کند. این عناصر با هم حس عمق، مقیاس و غوطه وری را ایجاد می کنند و تجربه بصری منحصر به فرد نمایشگر نزدیک چشم را تعریف می کنند.

چالش های اندازه گیری NED

اندازه‌گیری و ارزیابی نمایشگرهای نزدیک چشم (NED) اساساً با روش‌های آزمایشی مورد استفاده برای صفحه‌نمایش‌های معمولی متفاوت است. از آنجایی که این دستگاه ها به طور خاص برای ارتباط با چشم انسان طراحی شده اند، سیستم اندازه گیری باید بسیار بیشتر از گرفتن نور ساده انجام دهد. این دوربین باید هندسه، حرکت و ویژگی‌های ادراکی چشم انسان را شبیه‌سازی کند و با قرار دادن دقیق مردمک ورودی دوربین در جایی که چشم واقعی باشد، اندازه‌گیری‌ها را در یک 'جعبه چشم' انجام دهد، در حالی که به طور همزمان مکانیسم‌های چرخش چشم و تمرکز را در نظر می‌گیرد.

این مجموعه منحصر به فرد از الزامات، اندازه گیری NED را به یکی از چالش برانگیزترین جنبه های اندازه شناسی نمایشگر تبدیل می کند. همچنین مستقیماً زیربنای دو عامل اصلی است که موفقیت یا شکست تجربه نمایش نزدیک به چشم را تعیین می کند: راحتی و غوطه وری.

راحتی

Comfort تعیین می کند که آیا یک نمایشگر نزدیک چشم (NED) اجازه استفاده طبیعی و طولانی مدت را بدون ایجاد خستگی یا ناراحتی می دهد یا خیر. فن‌آوری اندازه‌گیری به مهندسان کمک می‌کند تا مسائلی را که بر بینایی، حس تعادل و تجربه فیزیکی کلی کاربر تأثیر می‌گذارد، شناسایی و حل کنند.

یکی از بحرانی‌ترین چالش‌ها، تضاد همبستگی و سکونت (VAC) است. در دید طبیعی، چشم ها به سمت داخل همگرا می شوند تا روی یک جسم ثابت شوند و همزمان فاصله کانونی خود را برای مطابقت با مکان آن جسم تنظیم می کنند. با این حال، در بسیاری از سیستم‌های NED، چشم‌ها ممکن است روی یک شی مجازی همگرا شوند در حالی که فاصله کانونی در یک فاصله نوری متفاوت ثابت بماند. این اختلاف دلیل اصلی فشار چشم، خستگی، سرگیجه و حالت تهوع است که VAC را در طراحی و اندازه‌گیری در اولویت قرار می‌دهد.

طراحی سخت افزار به همان اندازه حیاتی است. از آنجایی که NED ها دستگاه هایی هستند که روی سر نصب می شوند، وزن، ابعاد و تعادل مرکز ثقل مستقیماً بر راحتی پوشیدن تأثیر می گذارد. حتی با کیفیت صفحه نمایش استثنایی، دستگاهی که بیش از حد سنگین یا متعادل نیست، استفاده طولانی مدت را برای کاربر دشوار می کند. فن‌آوری اندازه‌گیری در اینجا نقشی محوری ایفا می‌کند و تضمین می‌کند که طرح‌های نوری به یک فرم فشرده و سبک وزن بدون به خطر انداختن عملکرد دست می‌یابند.

یکی دیگر از جنبه های کلیدی، پیکربندی فضایی است که معمولاً از نظر فاصله چشم و تسکین چشم توصیف می شود. فاصله بین سطح نوری نهایی و مردمک خروجی (معمولاً حدود 20 تا 25 میلی متر) به فاصله بین سطح نوری نهایی و مردمک خروجی اشاره دارد در حالی که تسکین چشم فاصله از سطح نهایی نوری تا موقعیت ایده آل چشم است. کنترل دقیق این فواصل برای اطمینان از راحتی کاربر، سازگاری با عینک و ایمنی عملیاتی ضروری است.

نزدیک به این 'جعبه چشم' است که محدوده فضایی را که چشم می تواند در حین مشاهده کامل تصویر در آن حرکت کند، تعریف می کند. یک جعبه چشم با طراحی خوب امکان حرکت طبیعی چشم را بدون برش یا اعوجاج تصویر فراهم می کند. تکنیک‌های اندازه‌گیری باید هم اندازه و هم موقعیت جعبه چشم را ارزیابی کنند تا تجربه‌ای راحت را برای کاربران مختلف تضمین کنند.

علاوه بر این، سیستم باید سیستم دهلیزی کاربر را در نظر بگیرد - سیستم حسی که مسئول تعادل و جهت گیری فضایی است. اگر سیگنال های بصری از یک یا هر دو چشم ناهماهنگ باشند، مغز ممکن است آنها را به عنوان اطلاعات حرکتی متناقض تفسیر کند که به طور بالقوه منجر به ناراحتی یا بیماری حرکت می شود. اندازه گیری دقیق به جلوگیری از چنین تناقضات حسی کمک می کند.

غوطه وری

غوطه وری، واقع گرایی و سیال بودن یک تجربه مجازی را تعیین می کند. نمایشگر بسیار فراگیر Near-Eye Display (NED) تضمین می کند که محتوای دیجیتال پایدار، پاسخگو و از نظر بصری واقعی است.

میدان دید (FOV) یک عامل حیاتی موثر بر غوطه وری است. یک FOV وسیع‌تر فضای بصری کاربر را پر می‌کند و حس حضور را افزایش می‌دهد، با این حال اغلب مستلزم معاوضه‌هایی مانند کاهش وضوح یا یک جعبه چشم کوچک‌تر است. یافتن تعادل بهینه در میان این مبادلات دقیقاً جایی است که فناوری اندازه گیری نقش حیاتی ایفا می کند.

وضوح و وضوح تصویر نیز در کیفیت بصری نقش اساسی دارند. تراکم پیکسلی ناکافی می‌تواند به «اثر درب صفحه» منجر شود، جایی که تک تک پیکسل‌ها یا شکاف‌های بین آنها به وضوح قابل مشاهده می‌شوند. در نمایشگرهای نزدیک چشم، وضوح معمولاً بر حسب پیکسل در درجه (PPD) اندازه گیری می شود که نشان دهنده تعداد پیکسل های نمایش داده شده در هر درجه از میدان دید کاربر است.

PPD یکی از مهم ترین معیارهای عملکرد برای سیستم های AR و VR است. مقادیر بالاتر نشان دهنده تصاویر واضح تر و تجربه بصری طبیعی تر است.

سیستم‌های اندازه‌گیری از ابزارهایی مانند آنالیز تابع انتقال مدولاسیون (MTF) برای ارزیابی وضوح و وضوح تصویر استفاده می‌کنند و در نتیجه توانایی سیستم نوری برای بازتولید جزئیات دقیق را ارزیابی می‌کنند. با ترکیب اندازه‌گیری‌های PPD با تجزیه و تحلیل MTF، مهندسان می‌توانند به طور جامع ارزیابی کنند که آیا یک صفحه نمایش شفافیت کافی برای ارائه یک تجربه کاربری راحت و فراگیر ارائه می‌دهد یا خیر.

روشنایی و کنتراست به طور قابل توجهی بر واقع گرایی و خوانایی تأثیر می گذارد. نمایشگرهای همهجانبه برای نمایش سیاهی عمیق نیاز به کنتراست بالایی دارند، در حالی که سیستم‌های AR شفاف باید اطمینان حاصل کنند که محتوای دیجیتال به وضوح در پس زمینه‌های روشن و پیچیده دنیای واقعی قابل مشاهده است.

تأخیر یکی دیگر از پارامترهای حیاتی است که بر غوطه وری تأثیر می گذارد. هر گونه تاخیر قابل توجه بین حرکت سر و به روز رسانی نمایشگر بصری، حس حضور را از بین می برد و حتی می تواند باعث بیماری حرکت شود. اندازه گیری دقیق تضمین می کند که پاسخگویی سیستم هم سریع و هم پایدار باقی می ماند.

برای نمایشگرهای شفاف، مدیریت عمق میدان بسیار مهم است – کاربران باید بتوانند همزمان محتوای دیجیتال و اشیاء فیزیکی را به وضوح ببینند بدون اینکه مرتباً فوکوس کنند. در غیر این صورت، حس غوطه وری فوراً از بین می رود.

منبع: UPRtek