Анализ технологии окологлазного дисплея (NED)

Окологлазный дисплей (NED) — это устройство отображения, предназначенное для использования в непосредственной близости от глаза — обычно на расстоянии всего нескольких сантиметров. В отличие от традиционных экранов, видимых на расстоянии, NED использует сложную оптическую систему для проецирования изображений, генерируемых внутренним микродисплеем, в более крупное и удаленное виртуальное изображение.

Пользователь воспринимает не саму панель дисплея, а виртуальное изображение, оптически визуализированное на удобном расстоянии просмотра. Эта возможность имеет основополагающее значение для создания захватывающего и естественного визуального опыта, особенно в носимых системах, где размер, вес и энергопотребление строго ограничены.

Следовательно, NED все чаще признаются в качестве основной технологии для современных систем AR и VR, где баланс между производительностью дисплея, оптической эффективностью и комфортом пользователя имеет решающее значение. По мере того как индустрия движется к более практичным, повседневным носимым устройствам, роль окологлазных дисплеев превратилась из экспериментального компонента в решающий фактор успеха продукта.

NED чаще всего встречаются в головных дисплеях (HMD) и умных очках, служащих основной технологией виртуальной реальности (VR), дополненной реальности (AR) и смешанной реальности (MR).

Ключевые оптические компоненты окологлазных дисплеев

Хотя дисплеи для близи глаз (NED) могут выглядеть футуристично, их оптические системы на самом деле состоят всего из трех ключевых компонентов. Эти компоненты работают вместе, чтобы преобразовать изображение с микродисплея в широкое, удобное виртуальное изображение, которое кажется парящим прямо перед глазами пользователя.

Дисплей/Источник света

В системах окологлазного отображения дисплей (иногда называемый источником света или световым двигателем) является основным компонентом, ответственным за создание или модуляцию изображения. Проще говоря, именно здесь зарождается изображение, прежде чем оно будет направляться и формироваться оптическими элементами.

Дисплей/световой механизм имеет решающее значение для общих визуальных характеристик, напрямую влияя на четкость изображения, качество цвета, яркость, энергоэффективность и плавность движения. В зависимости от конкретных требований систем AR, VR или MR используются разные технологии. Общие технологии отображения и освещения, используемые в окологлазных оптических системах, включают:

LCoS (Жидкий кристалл на кремнии): технология отражающих микродисплеев, обычно используемая в световых двигателях AR. LCoS, известный своим высоким разрешением и превосходной однородностью изображения, часто используется с внешними источниками освещения и проекционной оптикой.

MicroLED: технология самосветящегося микродисплея, чрезвычайно яркого и энергоэффективного. Эти свойства делают их особенно выгодными для прозрачных дисплеев AR, где преодоление помех от окружающего света имеет решающее значение.

LBS (сканирование лазерным лучом): технология отображения, которая генерирует изображения путем сканирования лазерного луча. LBS имеет компактную и тонкую оптическую конструкцию и обеспечивает высокую яркость, что делает его идеальным выбором для тонких и легких очков дополненной реальности.

OLED (органический светоизлучающий диод): технология самосветящегося дисплея, известная своим быстрым временем отклика, высокой контрастностью и насыщенными цветами. OLED широко используется в дисплеях для VR и MR, а яркость и срок службы являются важными факторами при применении к AR.

ЖК-дисплей (жидкокристаллический дисплей): технология модуляции света, требующая внешней подсветки. Хотя он занимает важное историческое положение по сравнению с новыми технологиями микродисплеев, его контрастность ниже, а скорость отклика ниже, поэтому его применение в высококачественных окологлазных дисплеях было относительно ограничено.

Система DLP/DMD: технология отображения, которая модулирует свет через массив микрозеркал. Системы DLP/DMD могут обеспечить высокую яркость и точное управление изображением, но при использовании окологлазных устройств необходимо тщательно контролировать размер системы, энергопотребление и оптическую сложность.

Оптический объединитель лучей

Оптический объединитель контролирует, как изображения передаются в глаза пользователя и как они сочетаются с реальным миром. Его функция варьируется в зависимости от целей проектирования системы — является ли целью полное погружение или наложение цифрового контента на физическую среду.

В иммерсивных системах, таких как VR-гарнитуры, оптический объединитель распределяет изображения на оба глаза, блокируя при этом внешний свет, позволяя пользователю полностью погрузиться в виртуальную среду.

В прозрачных системах, таких как очки AR, оптический сумматор играет более сложную роль. Он должен плавно сочетать цифровые изображения со светом реального мира, гарантируя, что графика, текст или виртуальные объекты стабильно и комфортно интегрируются с реальным окружением пользователя. Достижение этого баланса требует точного контроля оптической эффективности, яркости и прозрачности.

Поскольку устройства дополненной реальности все чаще входят в повседневную жизнь, оптический сумматор стал одним из самых сложных и важных компонентов в конструкции дисплеев, расположенных вблизи глаз. Его производительность существенно влияет на размер системы, качество изображения и комфорт пользователя, в конечном итоге определяя, изолирует ли дисплей около глаз пользователя от реальности или дополняет ее.

Оптика визуализации

Оптическая система визуализации отвечает за увеличение изображения на микродисплее и представление его в виде широкого и удобного визуального изображения. Эти линзы или оптические элементы формируют, увеличивают и фокусируют свет, позволяя изображению появляться на естественном расстоянии просмотра, а не прямо перед глазами.

В настоящее время существует два основных подхода к проектированию:

Система формирования выходного зрачка расширяет диапазон выходного зрачка, генерируя промежуточное изображение, позволяя пользователю сохранять четкое изображение даже при движении глаз, тем самым предотвращая потерю изображения из-за смещения линии взгляда.

Система формирования невыходного зрачка направляет почти параллельный свет в глаз, представляя изображение на большем визуальном расстоянии, что помогает снизить нагрузку на глаза.

Его основная цель — обеспечить четкость изображения, адаптируясь к естественным движениям глаз и сохраняя комфорт при длительном использовании.

Эти три компонента образуют полную оптическую систему, последним звеном которой является человеческий глаз. Генератор изображений создает визуальный контент; оптика формирования изображений увеличивает и формирует изображение; а оптический объединитель определяет, как изображение доставляется глазу и сочетается ли оно с реальным миром.

Вместо того, чтобы проецировать изображения на физическую поверхность, система напрямую генерирует виртуальное изображение и виртуальный выходной зрачок. Когда глаз находится в этой зоне, хрусталик фокусирует свет прямо на сетчатку, благодаря чему изображение на микродисплее выглядит как огромный экран, подвешенный в пространстве.

Представьте себе окологлазной дисплей как высокотехнологичное окно: генератор изображений представляет сцену, отображаемую в окне; оптика изображения действует как специальное стекло, благодаря которому сцена кажется шире и отдаленнее; а оптический объединитель определяет, является ли окно прозрачным или непрозрачным. Вместе эти элементы создают ощущение глубины, масштаба и погружения, определяя уникальное визуальное восприятие дисплея, расположенного вблизи глаз.

Проблемы измерения NED

Измерение и оценка окологлазных дисплеев (NED) фундаментально отличаются от методов тестирования, используемых для обычных экранов. Поскольку эти устройства специально разработаны для взаимодействия с человеческим глазом, измерительная система должна делать гораздо больше, чем просто улавливать свет. Он должен имитировать геометрию, движение и характеристики восприятия человеческого глаза, выполняя измерения в крошечной «глазной коробочке», точно позиционируя входной зрачок камеры там, где должен находиться настоящий глаз, одновременно учитывая механизмы вращения глаза и фокусировки.

Этот уникальный набор требований делает измерение NED одним из самых сложных аспектов метрологии дисплеев; оно также напрямую лежит в основе двух основных факторов, которые определяют успех или неудачу использования дисплея вблизи глаз: комфорт и погружение.

Комфорт

Комфорт определяет, обеспечивает ли дисплей для близи глаз (NED) естественное и продолжительное использование, не вызывая усталости или дискомфорта; Технология измерения помогает инженерам выявлять и решать проблемы, влияющие на зрение пользователя, чувство равновесия и общий физический опыт.

Одной из наиболее серьезных проблем является конфликт вергентности и аккомодации (VAC). При естественном зрении глаза сходятся внутрь, фиксируясь на объекте, одновременно регулируя свое фокусное расстояние в соответствии с местоположением этого объекта. Однако во многих системах NED глаза могут сходиться на виртуальном объекте, в то время как фокусное расстояние остается фиксированным на другом оптическом расстоянии. Это несоответствие является основной причиной напряжения глаз, усталости, головокружения и тошноты, что делает VAC главным приоритетом как при проектировании, так и при измерении.

Дизайн аппаратного обеспечения не менее важен; Поскольку NED являются устройствами, крепящимися на голове, вес, размеры и баланс центра тяжести напрямую влияют на комфорт при ношении. Даже при исключительном качестве изображения слишком тяжелое или плохо сбалансированное устройство затрудняет длительное использование пользователем. Измерительные технологии играют здесь решающую роль, гарантируя, что оптические конструкции приобретут компактный и легкий форм-фактор без ущерба для производительности.

Другим ключевым аспектом является пространственная конфигурация, обычно описываемая с точки зрения просвета и выноса зрачка. Под просветом глаз понимается расстояние между конечной оптической поверхностью и выходным зрачком — обычно от 20 до 25 миллиметров, тогда как вынос зрачка — это расстояние от конечной оптической поверхности до идеального положения глаз. Точный контроль этих расстояний необходим для обеспечения комфорта пользователя, совместимости с очками и безопасности эксплуатации.

С этим тесно связано «глазное поле», определяющее пространственный диапазон, в пределах которого глаз может перемещаться, продолжая просматривать полное изображение. Хорошо продуманный наглазник обеспечивает естественное движение глаз без обрезки или искажения изображения. Методы измерения должны оценивать как размер, так и положение окуляра, чтобы обеспечить постоянный комфорт для различных пользователей.

Кроме того, система должна учитывать вестибулярную систему пользователя — сенсорную систему, отвечающую за баланс и пространственную ориентацию. Если зрительные сигналы от одного или обоих глаз не совпадают, мозг может интерпретировать их как противоречивую информацию о движении, что потенциально может привести к дискомфорту или укачиванию. Точное измерение помогает предотвратить такие сенсорные несоответствия.

Погружение

Погружение определяет реализм и плавность виртуального опыта. Дисплей для близи глаз (NED) с высоким уровнем погружения гарантирует, что цифровой контент будет стабильным, отзывчивым и визуально реалистичным.

Поле зрения (FOV) — решающий фактор, влияющий на погружение. Более широкое поле зрения заполняет большую часть визуального пространства пользователя и усиливает ощущение присутствия, однако часто влечет за собой компромиссы, такие как пониженное разрешение или меньший размер поля зрения. Нахождение оптимального баланса между этими компромиссами — это именно то, где технология измерения играет жизненно важную роль.

Разрешение и четкость изображения также имеют решающее значение для визуального качества. Недостаточная плотность пикселей может привести к «эффекту сетчатой ​​двери», когда отдельные пиксели или промежутки между ними становятся четко видимыми. В окологлазных дисплеях разрешение обычно измеряется в пикселях на градус (PPD), что представляет собой количество пикселей, отображаемых в каждом градусе поля зрения пользователя.

PPD — один из наиболее важных показателей производительности для систем AR и VR; более высокие значения указывают на более четкое изображение и более естественное визуальное восприятие.

В измерительных системах используются такие инструменты, как анализ функции передачи модуляции (MTF), для оценки разрешения и четкости изображения, тем самым оценивая способность оптической системы воспроизводить мелкие детали. Объединив измерения PPD с анализом MTF, инженеры могут всесторонне оценить, обеспечивает ли дисплей достаточную четкость для обеспечения комфортного и захватывающего пользовательского опыта.

Яркость и контрастность существенно влияют на реализм и читаемость. Иммерсивным дисплеям требуется высокая контрастность для передачи глубокого черного цвета, тогда как прозрачные системы AR должны гарантировать, что цифровой контент остается четко видимым на ярком, сложном фоне реального мира.

Задержка — еще один критический параметр, влияющий на погружение; любая заметная задержка между движением головы и обновлением визуального дисплея разрушает ощущение присутствия и может даже вызвать укачивание. Точные измерения гарантируют, что реакция системы останется быстрой и стабильной.

Для прозрачных дисплеев управление глубиной резкости особенно важно: пользователи должны иметь возможность четко видеть как цифровой контент, так и физические объекты одновременно, без частой смены фокуса; в противном случае ощущение погружения моментально рушится.

Источник: УПРтек