Phân tích công nghệ hiển thị gần mắt (NED)

Màn hình gần mắt (NED) là một thiết bị hiển thị được thiết kế để sử dụng ở gần mắt—thường chỉ cách vài cm. Không giống như các màn hình truyền thống nhìn từ xa, NED sử dụng hệ thống quang học phức tạp để chiếu hình ảnh do màn hình vi mô bên trong tạo ra thành hình ảnh ảo lớn hơn, xa hơn.

Những gì người dùng cảm nhận được không phải là bảng hiển thị mà là một hình ảnh ảo được hiển thị về mặt quang học ở khoảng cách xem thoải mái. Khả năng này là nền tảng để tạo ra trải nghiệm hình ảnh sống động và tự nhiên, đặc biệt là trong các hệ thống thiết bị đeo nơi kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ điện năng bị hạn chế nghiêm ngặt.

Do đó, NED ngày càng được công nhận là công nghệ hỗ trợ cốt lõi cho các hệ thống AR và VR hiện đại, trong đó việc cân bằng hiệu suất hiển thị, hiệu suất quang học và sự thoải mái của người dùng là rất quan trọng. Khi ngành chuyển sang các thiết bị đeo hàng ngày, thiết thực hơn, vai trò của màn hình gần mắt đã phát triển từ vai trò của một thành phần thử nghiệm thành yếu tố quyết định thành công của sản phẩm.

NED thường được tìm thấy nhiều nhất trong màn hình gắn trên đầu (HMD) và kính thông minh, đóng vai trò là công nghệ cốt lõi đằng sau trải nghiệm thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR) và thực tế hỗn hợp (MR).

Các thành phần quang học chính của màn hình gần mắt

Mặc dù Màn hình gần mắt (NED) có thể có vẻ ngoài tương lai nhưng hệ thống quang học của chúng thực sự chỉ bao gồm ba thành phần chính. Các thành phần này phối hợp với nhau để biến hình ảnh từ màn hình vi mô thành hình ảnh ảo rộng, thoải mái, dường như trôi nổi ngay trước mắt người dùng.

Màn hình / Nguồn sáng

Trong các hệ thống hiển thị gần mắt, màn hình (đôi khi được gọi là nguồn sáng hoặc động cơ ánh sáng) là thành phần cốt lõi chịu trách nhiệm tạo ra hoặc điều chỉnh hình ảnh. Nói một cách đơn giản, đây là nơi hình ảnh bắt nguồn trước khi được dẫn hướng và định hình bởi các phần tử quang học.

Công cụ hiển thị/ánh sáng đóng vai trò then chốt đối với hiệu suất hình ảnh tổng thể, ảnh hưởng trực tiếp đến độ rõ nét của hình ảnh, chất lượng màu sắc, độ sáng, hiệu suất năng lượng và tính trôi chảy của chuyển động. Các công nghệ khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống AR, VR hoặc MR. Các công nghệ hiển thị và động cơ ánh sáng phổ biến được tìm thấy trong các hệ thống quang học gần mắt bao gồm:

LCoS (Tinh thể lỏng trên Silicon): Công nghệ hiển thị vi mô phản chiếu thường được sử dụng trong động cơ ánh sáng AR. Được biết đến với độ phân giải cao và tính đồng nhất hình ảnh tuyệt vời, LCoS thường được sử dụng với các nguồn chiếu sáng bên ngoài và hệ thống quang học chiếu.

MicroLED: Công nghệ màn hình vi mô tự phát sáng cực kỳ sáng và tiết kiệm năng lượng. Những đặc tính này khiến chúng đặc biệt có lợi trong màn hình AR trong suốt, trong đó việc khắc phục nhiễu từ ánh sáng xung quanh là rất quan trọng.

LBS (Quét chùm tia laze): Công nghệ hiển thị tạo ra hình ảnh bằng cách quét chùm tia laze. LBS có thể đạt được thiết kế quang học mỏng và nhỏ gọn cũng như đạt được hiệu suất độ sáng cao, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho kính AR mỏng và nhẹ.

OLED (Điốt phát sáng hữu cơ): Công nghệ màn hình tự phát sáng nổi tiếng với thời gian phản hồi nhanh, độ tương phản cao và màu sắc phong phú. OLED được sử dụng rộng rãi trong màn hình VR và MR gần mắt, đồng thời độ sáng và tuổi thọ sử dụng là những cân nhắc quan trọng khi áp dụng cho AR.

LCD (Màn hình tinh thể lỏng): Công nghệ điều chế ánh sáng yêu cầu đèn nền bên ngoài. Mặc dù có vị trí lịch sử quan trọng nhưng so với các công nghệ màn hình vi mô mới, tỷ lệ tương phản của nó thấp hơn và tốc độ phản hồi chậm hơn nên ứng dụng của nó trong màn hình gần mắt cao cấp còn tương đối hạn chế.

Hệ thống DLP/DMD: công nghệ hiển thị điều chỉnh ánh sáng thông qua mảng gương vi mô. Hệ thống DLP/DMD có thể cung cấp độ sáng cao và khả năng kiểm soát hình ảnh chính xác, nhưng khi áp dụng cho các thiết bị ở gần mắt, kích thước hệ thống, mức tiêu thụ điện năng và độ phức tạp quang học đều cần phải được quản lý cẩn thận.

Bộ kết hợp chùm tia quang học

Bộ kết hợp quang học kiểm soát cách hình ảnh được truyền đến mắt người dùng và cách chúng hòa trộn với thế giới thực. Chức năng của nó thay đổi tùy thuộc vào mục tiêu thiết kế của hệ thống—mục đích là trải nghiệm hoàn toàn đắm chìm hay phủ nội dung kỹ thuật số lên môi trường vật lý.

Trong các hệ thống sống động như tai nghe VR, bộ kết hợp quang học phân phối hình ảnh đến cả hai mắt đồng thời chặn ánh sáng bên ngoài, cho phép người dùng hoàn toàn đắm chìm trong môi trường ảo.

Trong các hệ thống nhìn xuyên thấu như kính AR, bộ kết hợp quang học đóng vai trò phức tạp hơn. Nó phải kết hợp liền mạch các hình ảnh kỹ thuật số với ánh sáng từ thế giới thực, đảm bảo rằng đồ họa, văn bản hoặc các vật thể ảo tích hợp ổn định và thoải mái với môi trường xung quanh thực tế của người dùng. Để đạt được sự cân bằng này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác hiệu suất quang học, độ sáng và độ trong suốt.

Khi các thiết bị AR ngày càng đi vào cuộc sống hàng ngày, bộ kết hợp quang học đã trở thành một trong những thành phần then chốt và thách thức nhất trong thiết kế màn hình gần mắt. Hiệu suất của nó tác động đáng kể đến kích thước hệ thống, chất lượng hình ảnh và sự thoải mái của người dùng, cuối cùng xác định liệu màn hình gần mắt có tách biệt người dùng khỏi thực tế hay tăng cường nó hay không.

quang học hình ảnh

Hệ thống quang học hình ảnh chịu trách nhiệm phóng to hình ảnh từ màn hình vi mô và hiển thị nó dưới dạng hình ảnh trực quan rộng, thoải mái. Những thấu kính hoặc thành phần quang học này định hình, phóng đại và tập trung ánh sáng, cho phép hình ảnh xuất hiện ở khoảng cách xem tự nhiên thay vì ngay trước mắt.

Hiện nay có hai phương pháp thiết kế chính:

Hệ thống hình thành đồng tử thoát mở rộng phạm vi đồng tử thoát bằng cách tạo ra hình ảnh trung gian, cho phép người dùng duy trì tầm nhìn rõ ràng ngay cả khi mắt họ di chuyển, do đó ngăn hình ảnh bị mất do thay đổi đường ngắm.

Hệ thống hình thành đồng tử không thoát ra hướng ánh sáng gần như song song vào mắt, hiển thị hình ảnh ở khoảng cách nhìn xa hơn, giúp giảm mỏi mắt.

Mục tiêu cốt lõi của nó là đảm bảo hình ảnh rõ nét đồng thời hỗ trợ chuyển động mắt tự nhiên và duy trì sự thoải mái khi sử dụng kéo dài.

Ba thành phần này tạo thành một hệ thống quang học hoàn chỉnh, trong đó mắt người đóng vai trò là liên kết cuối cùng. Trình tạo hình ảnh tạo ra nội dung trực quan; quang học hình ảnh phóng to và định hình hình ảnh; và bộ kết hợp quang học xác định cách hình ảnh được truyền tới mắt và liệu nó có hòa hợp với thế giới thực hay không.

Thay vì chiếu hình ảnh lên bề mặt vật lý, hệ thống trực tiếp tạo ra hình ảnh ảo và đồng tử thoát ảo. Khi mắt được đặt trong vùng này, thấu kính sẽ tập trung ánh sáng trực tiếp vào võng mạc, làm cho hình ảnh của màn hình vi mô xuất hiện dưới dạng một màn hình lớn lơ lửng trong không gian.

Hãy coi màn hình gần mắt như một cửa sổ công nghệ cao: trình tạo hình ảnh đại diện cho cảnh hiển thị bên trong cửa sổ; quang học hình ảnh hoạt động như một tấm kính đặc biệt làm cho khung cảnh có vẻ rộng hơn và xa hơn; và bộ kết hợp quang học xác định xem cửa sổ trong suốt hay mờ đục. Cùng với nhau, những yếu tố này tạo ra cảm giác về chiều sâu, quy mô và sự đắm chìm, xác định trải nghiệm hình ảnh độc đáo của màn hình gần mắt.

Những thách thức đo lường NED

Việc đo lường và đánh giá màn hình nhìn gần (NED) về cơ bản khác với các phương pháp thử nghiệm được sử dụng cho màn hình thông thường. Vì các thiết bị này được thiết kế đặc biệt để giao tiếp với mắt người nên hệ thống đo lường phải làm được nhiều việc hơn là chỉ thu ánh sáng. Nó phải mô phỏng các đặc điểm hình học, chuyển động và nhận thức của mắt người, thực hiện các phép đo trong một 'hộp mắt' nhỏ xíu bằng cách định vị chính xác đồng tử phía trước của máy ảnh ở vị trí của mắt thực, đồng thời tính đến cơ chế xoay mắt và lấy nét.

Bộ yêu cầu độc đáo này làm cho phép đo NED trở thành một trong những khía cạnh thách thức nhất của đo lường hiển thị; nó cũng trực tiếp củng cố hai yếu tố cốt lõi quyết định sự thành công hay thất bại của trải nghiệm hiển thị gần mắt: sự thoải mái và sự đắm chìm.

An ủi

Sự thoải mái xác định xem Màn hình gần mắt (NED) có cho phép sử dụng tự nhiên, kéo dài mà không gây mệt mỏi hoặc khó chịu hay không; công nghệ đo lường giúp các kỹ sư xác định và giải quyết các vấn đề ảnh hưởng đến thị giác, cảm giác thăng bằng và trải nghiệm thể chất tổng thể của người dùng.

Một trong những thách thức quan trọng nhất là Xung đột Chỗ ở-Vergence (VAC). Trong tầm nhìn tự nhiên, mắt hội tụ vào trong để nhìn vào một vật thể đồng thời điều chỉnh tiêu cự của chúng để phù hợp với vị trí của vật thể đó. Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống NED, mắt có thể hội tụ vào một vật thể ảo trong khi tiêu cự vẫn cố định ở một khoảng cách quang học khác. Sự khác biệt này là nguyên nhân chính gây mỏi mắt, mệt mỏi, chóng mặt và buồn nôn, khiến VAC được ưu tiên hàng đầu trong cả thiết kế và đo lường.

Thiết kế phần cứng cũng quan trọng không kém; vì NED là thiết bị gắn trên đầu nên trọng lượng, kích thước và độ cân bằng trọng tâm ảnh hưởng trực tiếp đến sự thoải mái khi đeo. Ngay cả với chất lượng hiển thị vượt trội, một thiết bị quá nặng hoặc kém cân bằng sẽ khiến người dùng khó sử dụng trong thời gian dài. Ở đây, công nghệ đo lường đóng vai trò then chốt, đảm bảo rằng các thiết kế quang học đạt được kiểu dáng nhỏ gọn, nhẹ mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.

Một khía cạnh quan trọng khác là cấu hình không gian, thường được mô tả dưới dạng khoảng sáng mắt và giảm đau mắt. Khoảng sáng mắt đề cập đến khoảng cách giữa bề mặt quang học cuối cùng và đồng tử thoát ra—thường là khoảng 20 đến 25 mm—trong khi khoảng cách mắt là khoảng cách từ bề mặt quang học cuối cùng đến vị trí mắt lý tưởng. Kiểm soát chính xác những khoảng cách này là điều cần thiết để đảm bảo sự thoải mái cho người đeo, khả năng tương thích với kính mắt và an toàn khi vận hành.

Liên quan chặt chẽ với điều này là 'hộp mắt', xác định phạm vi không gian trong đó mắt có thể di chuyển trong khi vẫn xem toàn bộ hình ảnh. Hộp mắt được thiết kế tốt cho phép mắt chuyển động tự nhiên mà không bị cắt xén hoặc biến dạng hình ảnh. Kỹ thuật đo lường phải đánh giá cả kích thước và vị trí của hộp mắt để đảm bảo trải nghiệm thoải mái nhất quán cho nhiều người dùng.

Hơn nữa, hệ thống phải tính đến hệ thống tiền đình của người dùng—hệ thống cảm giác chịu trách nhiệm về sự cân bằng và định hướng không gian. Nếu tín hiệu thị giác từ một hoặc cả hai mắt bị lệch, não có thể hiểu chúng là thông tin chuyển động xung đột, có thể dẫn đến cảm giác khó chịu hoặc say tàu xe. Đo lường chính xác giúp ngăn ngừa sự không nhất quán về cảm giác như vậy.

Ngâm

Sự đắm chìm quyết định tính chân thực và tính trôi chảy của trải nghiệm ảo. Màn hình Gần Mắt (NED) có độ sống động cao đảm bảo nội dung kỹ thuật số ổn định, phản hồi nhanh và trực quan giống như thật.

Trường nhìn (FOV) là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc ngâm. FOV rộng hơn sẽ lấp đầy nhiều không gian thị giác của người dùng hơn và nâng cao cảm giác hiện diện, tuy nhiên nó thường kéo theo những đánh đổi, chẳng hạn như giảm độ phân giải hoặc hộp mắt nhỏ hơn. Việc tìm kiếm sự cân bằng tối ưu giữa những đánh đổi này chính xác là lúc công nghệ đo lường đóng vai trò quan trọng.

Độ phân giải và độ rõ nét của hình ảnh cũng là trọng tâm của chất lượng hình ảnh. Mật độ điểm ảnh không đủ có thể dẫn đến 'hiệu ứng cửa màn hình', trong đó các điểm ảnh riêng lẻ hoặc khoảng trống giữa chúng trở nên rõ ràng. Trong màn hình gần mắt, độ phân giải thường được đo bằng pixel trên mỗi độ (PPD), biểu thị số pixel được hiển thị trong mọi mức độ của trường nhìn của người dùng.

PPD là một trong những thước đo hiệu suất quan trọng nhất đối với hệ thống AR và VR; giá trị cao hơn cho thấy hình ảnh sắc nét hơn và trải nghiệm hình ảnh tự nhiên hơn.

Hệ thống đo lường sử dụng các công cụ như phân tích Chức năng truyền điều chế (MTF) để đánh giá độ phân giải và độ rõ của hình ảnh, từ đó đánh giá khả năng tái tạo các chi tiết đẹp của hệ thống quang học. Bằng cách kết hợp các phép đo PPD với phân tích MTF, các kỹ sư có thể đánh giá toàn diện liệu màn hình có cung cấp đủ độ rõ nét để mang lại trải nghiệm thoải mái và sống động cho người dùng hay không.

Độ sáng và độ tương phản tác động đáng kể đến tính hiện thực và khả năng đọc. Màn hình sống động yêu cầu độ tương phản cao để hiển thị màu đen sâu, trong khi hệ thống AR trong suốt phải đảm bảo rằng nội dung kỹ thuật số vẫn hiển thị rõ ràng trên nền sáng và phức tạp của thế giới thực.

Độ trễ là một thông số quan trọng khác ảnh hưởng đến khả năng ngâm; bất kỳ độ trễ đáng chú ý nào giữa chuyển động của đầu và cập nhật màn hình hiển thị sẽ làm mất đi cảm giác hiện diện và thậm chí có thể gây say tàu xe. Đo lường chính xác đảm bảo rằng khả năng đáp ứng của hệ thống vẫn nhanh và ổn định.

Đối với màn hình trong suốt, việc quản lý độ sâu trường ảnh là đặc biệt quan trọng—người dùng phải có thể nhìn rõ đồng thời cả nội dung kỹ thuật số và vật thể mà không cần thường xuyên lấy nét lại; nếu không, cảm giác đắm chìm sẽ ngay lập tức sụp đổ.

Nguồn: UPRtek