- 为什么AR显示技术不太可能在短期内实现大幅扩展

在使用双筒望远镜或显微镜时，大多数人应该都会注意到出射瞳孔过小的问题：除非每只眼睛能够精确定位在目镜前面的正确位置，否则你将看不到任何一切。这种“不待见”行为的原因是，较小的出瞳导致更高的光效率（进入双筒望远镜的光线集中在另一侧的小范围区域），而这显然是双筒望远镜的理想属性。

那么，视窗到底要多大呢？视窗的最小实际尺寸显然是人眼瞳孔尺寸（通常假设为大约4mm），而这通常是双筒望远镜的设计目标。双筒望远镜的视场非常小，所以瞳孔保持相对固定。但对于AR/VR显示器的，用户的眼睛可以自由移动。为了支持这种眼睛运动，视窗需要在每个方向增加至少数毫米。

眼球运动不是扩大视窗的唯一要求。不同人有着不同的瞳距（IPD）。为了支持这种差异化，我们需要机械调节（如双筒望远镜）或光学调节（通过进一步增加视窗宽度）。对于移动端设备而言，移动式组件存在非常大的问题，尤其是在需要精确校准的时候。由于机械调整不是一个好选择，所以视窗宽度需要进一步增加至少10mm，理想情况下是20mm。

由于波导的输入光瞳通常不是非常大，所以行业开发了各种技术来增加出射光瞳的尺寸，如瞳孔扩张或瞳孔复制。衍射波导具有天然的优势，而反射波导在两个方向扩展视窗（2D瞳孔扩展）则非常具有挑战性。结果，半反射波导通常具有比衍射波导小的视窗。

设计大视窗通常非常具有挑战性，并且会对其他设计参数产生巨大的影响。例如。视窗尺寸直接影响显示区域（波导）的所需尺寸。另外，正如在双筒望远镜的示例一样，为了实现相同的感知亮度，较大的视窗需要更多的光输出。

2.3 亮度，透明度和占空时间

简单来说，显示亮度定义了显示器的亮度是否足够支持用户在特定情况下清楚地感知虚拟内容。透明度则关于有多少现实世界光线能够到达眼睛。对于AR，理想情况是非模糊区域达到100％。对于VR，它通常为零。占空时间定义了每帧像素点亮的时间。占空时间可以以毫秒或帧时间百分比进行度量。这三个主题在很大程度上独立于用户视点，但技术上密切相关。我们将在本节中一起讨论。

对移动AR设备而言，显示亮度绝对是一个极具挑战性的话题。今天几乎所有的AR头显的显示亮度都非常有限：Hololens和DAQRI Smart Glasses的显示亮度约为300 nits，而Magic Leap One的显示亮度仅为200 nits。由于显示器亮度非常具有挑战性，所以今天大多数的AR眼镜通常都是经过调配，只限于室内使用，而且在户外很快变得不可用，尤其是在阳光直射的情况下。为了减轻这个问题，大多数AR头显都采用会降低透明度，并因而减少到达用户眼睛的环境光线数量的有色面板，从而令显示器相对更加光亮。尽管这对于消费者来说或许可以接受，但大多数专业领域都不能容忍低显示透明度。

除了有色面板，大多数光学设计都会阻挡大量的现实世界光线。例如，Birdbath设计（原ODG和现Nreal）会格挡大部分的入射光线。

Karl Guttag的博客有关于这方面的介绍（这里 和这里 ）。根据Guttag的说法，Hololens只允许约40％的环境光线到达眼睛，MagicLeap One仅为约15％，而在2019年初亮相的Nreal眼镜则是25％左右。幸运的是，人眼具有大约1：109的巨大动态范围，所以我们能够应对这种亮度降低。但在黑暗环境中，这种亮度降低可能是产生问题。

由于占空时间定义了每帧允许像素发光的时间长度，所以它与显示亮度密切相关。占空时间为100％意味着显示器连续发光。对于60Hz显示器，这意味着每帧大约16ms。但在这样长时间内显示相同的像素值将导致运动伪影（“拖尾”）。比方说我们假设显示器的水平视场是40度，水平方面1280像素分辨率，以及每秒60度的头部旋转。在这种情况下，头部大约每毫秒旋转2个像素。所以当占空时间为16ms时，每个像素将在32个像素的长度中产生“空间拖尾”（参见下图）。

左右两边为相同的图像，但右图出现了水平运动模糊

但幸运的是，在专心查看细节时，我们人类头部会更加稳定，所以实际上AR显示器通常可以接受4ms或更低的像素占空时间。

60Hz帧率的占空时间。左边是16ms，右边是4ms

LCOS面板是由单独的LED点亮，而这可以非常光亮，所以可以实现高透明度，占空时间低于1ms（各颜色）的光亮显示器。另一方面，OLED更暗，所以当占空时间过短并且同时需要高透明度时，OLED显示器很快就会出现多个问题。以上图为例，当占空时间为16ms时，显示器更亮，但会出现拖影。当占空之间为4ms时，拖影情况会减少，但显示器会过暗。

当占空时间为4ms时：左边是120Hz帧率，右边是240Hz

当帧率为60Hz（约16ms）时，4ms的绝对占空时间将导致显示像素仅在约25％的时间内有效。结果，显示亮度将降低四倍。如果显示器以120Hz运行，4ms的占空时间意味着像素依然在大约50％的时间内发光。类似地，240Hz可以实现约100％的占空时间。但对于移动设备及其显示面板而言，这种高帧速率并不现实。

2.4 对比度

对比度没有正式的定义或衡量方法。但是，大多数人都能理解对比度。简单来说，对比度描述了显示器同时产生更亮和更暗像素的能力，如：

如果显示器的对比度较差，则无法同时显示亮内容和暗（透明）内容。根据显示器的整体亮度，它要么无法显示明亮区域，要么本应为暗（透明）的区域没有变暗。对于光学透视显示器，透明度取代了黑色的作用：在对比度差的AR显示器中，你可以看到透明区域显示为深灰色。换句话说：只要AR显示器不够亮，对比度差的负面影响同样有限。但随着AR显示器的亮度提升，它们将需要更高的对比度。

对比度取决于显示面板和光学系统。LCOS往往具有低对比度，通常是为1：100至1：200。OLED具有相对较高的对比度，可以达到1：1.000.000或更高，这就是它们如今受到家用电视欢迎的原因。但在两种情况下，光学元件（棱镜，透镜，波导）将导致对比度的进一步降低。例如对基于LCOS的系统而言，最终对比度很容易就会低于1：100。

2.5 均匀性和颜色质量

颜色质量定义了显示器能够再现颜色的准确程度。例如，由GPU渲染成红色的像素会显示屏中显示为红色吗？为了实现适当的色彩再现，我们需要进行校准（包括伽玛）。由于AR显示器通常是添加光线，所以感知颜色同时取决于虚拟内容所叠加的场景。

与对比度相同，颜色质量可能存在非常大的差异，具体取决于显示器的位置：例如，取决于它是位于显示器的左侧还是右侧，像素颜色看起来可能相当不同。这种伪影通常依赖于视图，这意味着用户瞳孔的位置同样会有影响，并且需要眼动追踪进行解决。

均匀性描述了位于不同显示器位置的像素颜色变化：对于完美的显示器，通过相同RGB值渲染的每个像素看起来都完全相同。实际上，亮度，对比度，颜色和其他属性取决于显示器位置以及查看像素的角度。

尽管自由形式组合器（如Meta2）和半反射波导（如Lumus）的均匀性通常都非常好，但衍射波导显示器（如Hololens和MagicLeap）明显受到均匀性问题的影响。这种充满中等灰度像素级数的显示器会出现各种色调（见下图）。

衍射波导的颜色问题。显示器会出现各种色调，而非均匀的白色或灰色色调。底部明显出现了亮度不均匀。

2.6 分辨率