星期日, 七月 15, 2012

常见头戴实景增强显示器的显示方式

最基本的方法就是使用半反射半透射的镜片。显示器在眼镜的侧面,通过一枚半反射半透射的镜片将计算机生成内容显示在眼前,并与真实场景相叠。
优点:光路简单。
缺点:
整个装置的体积较大,半反半射的镜片如果是45度放置,则显示的宽度与装置的厚度一致。如果限制眼前装置的厚度,则显示面积就比较小。

这是最近出现的一种方案,需要由眼镜上的显示器和人眼佩戴的隐形眼镜之间相互配合。
隐形眼镜上有线性偏振片,中央有一个高度数的凸透镜,其上没有偏振片或者有与周边垂直的偏振片。
在眼镜显示器上,近景显示器前面有一层偏振片,其方向与隐形眼镜周边的偏振片方向垂直。近景显示器之外是没有偏振片,或者有偏振片但方向与隐形眼镜中央的垂直。
于是远处实际景物发出的光线可以顺利通过隐形眼镜的大部分区域,聚焦在眼内。(红色光线)
而近处的显示器上的光线,无法通过隐形眼镜周边的部分,只能通过隐形眼镜中央的高度数凸透镜,也可以顺利聚焦在眼内。近景和实际景物之间互不干扰

优点:人眼平时处于看远处的放松状态,近景的计算机生成图像的位置相当于无穷远点。日常视觉比较放松
缺点:
1. 需要再戴一枚隐形眼镜。由于其中有偏振层加入,对隐形眼镜的透氧性有什么影响还不得而知。有可能降低角膜的氧气供应。
2. 相当于眼前一直有一枚偏振镜,环境亮度减半。在早晨和傍晚时,自然光的偏振性明显增加时,可能会看到周围环境反光中有多种彩色条纹
3. 对液晶显示器的观察有影响
4. 计算机显示的近景会遮挡远处实景。无法实现两者的融合。

这是很热门的一项技术,有文献《A single-pixel wireless contact lens display》已经可以制作出单像素的原型机。但是这个装置作为增强实景的显示器,从理论上来说就是错的,不可能实现。
在文献中所述,隐形眼镜表面上是微小的LED作为显示像素,其下有菲涅尔波带片,利用菲涅尔波带片的衍射作用,等价于一个高度数的凸透镜,将LED所发出的光聚焦在视网膜上。在单像素的实验中,这个是可以实现的。
但是如果扩展到多像素,比如至少是320*240的像素,那么会有一大片范围被显示像素所覆盖。注意每一个菲涅尔波带片等价于一个高度数凸透镜,它既可以聚焦LED发出的光,也可以偏折来自远方实际景物的光,相当于在眼前佩戴了一枚高度数的远视眼镜。那么有显示像素的位置,就是看不清远景的,要让显示器可用,就必须阻挡显示器后面的来光。否则就是严重模糊的成像。
这种显示技术与上面“组合分选”的方式一样,都不可能实现计算机生成图像与实际景物的融合。算不上一种AR显示技术。


这是苹果最近申请专利中所披露的技术,估计google glass可能也是利用类似的技术。这个方法本质上与半反射半透射的原理是相同的,但是利用楔形玻璃内部的全内反射,使图像能够在眼镜片内部反射多次后再进入眼睛。最后一次反射然后透射进入眼内的过程我还没有太搞清楚,有可能楔形的边缘并不是平直的,而是在一定范围内有变化,打破全内反射的过程,使图像进入眼内。
优点:眼镜显示装置可以做得很薄,显示面积也可以比较大。
缺点:显示部分可能有一定的棱镜效应,远处实景进入楔形玻璃时可能有同一个方向的偏转,造成轻微的斜视,佩戴时间长了以后,眼肌容易疲劳。

以上四种显示方案,都有共同的缺陷。就是计算机生成图像的相对位置是固定的。显示器并不知道人眼在看什么位置,通常情况应该是将图像显示的位置通过透镜组透射到远处,使之与远景实景相匹配。但是人眼的调节状态是在不断变化的,因此,当人眼在看近处时,计算机生成图像并没有跟随着改变图像的聚散度,于是发生看近处时,计算机生成图像是模糊的情形,但其在眼镜上的位置有在真实物体之前。于是可能在看报纸时,直面上有一块计算机生成的图像,但需要人眼用看远的方式才能看清,而报纸上的文字又需要调节到近处才能看清,人眼在远近快速调节的过程中会产生疲劳与不适。

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