液晶光子學(xué)-第7章-增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用課件

液晶光子學(xué)液晶光子學(xué)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用of392習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of393眼睛是人類的視覺器官，人類對外界超過80%的感知信息都是通過眼睛獲得的。人眼是一套由角膜、晶狀體、玻璃體及視網(wǎng)膜等組成的完整的視覺感知系統(tǒng)。1．人眼視覺模型1.屈光度：眼睛折射光線的作用稱為屈光。在光學(xué)中，通常用屈光度或焦度來度量光學(xué)系統(tǒng)的屈光能力，用φ表示，為焦距的倒數(shù)，單位為D（1D=1m-1）。2.瞳孔：是動(dòng)物或人眼睛內(nèi)虹膜中心的小圓孔，為光線進(jìn)入眼睛的通道。其附近肌肉可調(diào)節(jié)瞳孔的大小。一般人的瞳孔直徑大小在1.5～8mm之間變動(dòng)，人眼平均的瞳孔大小約為3mm。明適應(yīng)：當(dāng)人從暗環(huán)境進(jìn)入明亮環(huán)境時(shí)，瞳孔會(huì)迅速變小，減少光通量，不至于因光線太強(qiáng)而灼傷眼睛。暗適應(yīng)：從明亮環(huán)境進(jìn)入暗環(huán)境時(shí)，瞳孔會(huì)變大，以增加光通量，看清楚黑暗物體7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3941．人眼視覺模型3.分辨率：人眼的分辨率是角分辨率。當(dāng)空間中兩個(gè)點(diǎn)對人眼所成的張角小于人眼的分辨率時(shí)，人眼將無法對這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。人眼角分辨率θ

的計(jì)算需遵循瑞利判據(jù)，θ=1.22λ/D，其中λ為光波長，D為瞳孔直徑。4.視覺暫留：當(dāng)人眼所看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留圖像0.1～0.4s。這種殘留的圖像稱“后像”，而這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。一般來說當(dāng)每秒有24幅或更多的圖片進(jìn)行更替變換時(shí)，人眼就會(huì)看到一個(gè)連續(xù)的畫面，這也是視頻播放的原理。視頻播放的最低刷新速度為24Hz。對于顯示器件，一般要求其刷新率達(dá)到60Hz，畫面才不會(huì)有明顯的閃爍感。5.視場角：視場角是指人眼能夠觀看到的最大的視野范圍。人類單眼視場角通常在水平方向上有150°～160°，在豎直方向上有120°～130°。雙眼視場角在水平方向可以達(dá)到200°～210°；當(dāng)眼球移動(dòng)時(shí)，水平方向的視場角可以擴(kuò)大到290°。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3952．深度暗示人眼雙目視覺系統(tǒng)對不同深度的物體可產(chǎn)生不同立體視覺感受，產(chǎn)生這些立體視覺感受的因素稱為深度暗示。深度暗示分為生理深度暗示和心理深度暗示。生理深度暗示1.調(diào)焦：調(diào)焦是指當(dāng)物體處于不同距離時(shí)，睫狀肌需要對晶狀體的形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變眼睛的屈光度，從而在視網(wǎng)膜上獲得清晰的成像，如圖所示；反之，人們也可以從睫狀肌的收縮或放松程度來反推三維物體的深度。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of396生理深度暗示2.輻輳：觀看三維空間中的一點(diǎn)時(shí)，雙目的視軸會(huì)交會(huì)于該點(diǎn)，形成輻輳角?？聪蚪幬矬w時(shí)，眼球會(huì)朝內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使輻輳角變大；反之，看向遠(yuǎn)處物體時(shí)，輻輳角會(huì)變小，如圖所示。輻輳角的大小與人眼觀看距離近似成反比，因此，根據(jù)視軸輻輳角的大小，大腦可以反推出物體的深度信息，這種生理深度暗示稱為輻輳。3.移動(dòng)視差：當(dāng)觀察者相對于三維物體的位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，觀察得到的圖像也會(huì)發(fā)生變化，距離越近的物體移動(dòng)得越快，越遠(yuǎn)的物體移動(dòng)得越慢。這種深度感知要素稱為移動(dòng)視差。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of397生理深度暗示4.雙目視差：由于兩眼之間存在一定的間距（瞳孔間距，約為6.5cm），在觀察某個(gè)三維物體時(shí)，左、右眼與該物體的相對位置不一樣，觀察得到的圖像也存在差異。左眼看到左邊的部分多一些，右眼看到的右邊部分多一些，因此，左、右眼視網(wǎng)膜感受到不同的刺激，形成視覺上的差異，即雙目視差。心理深度暗示1.線性透視：景物隨著距離的變大而在視野中顯得越來越小。就好像道路在遠(yuǎn)處在視野中會(huì)逐漸成縮小成一點(diǎn)。如圖7.3所示，利用線性透視，人們可以明確地分辨出遠(yuǎn)近信息。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of398心理深度暗示2.遮擋：遮擋是指前面（距離較近）的不透明物體會(huì)遮住后面（距離較遠(yuǎn)）的物體的某一部分。人們會(huì)根據(jù)遮擋與被遮擋的關(guān)系，可以自然而然地判斷出物體的遠(yuǎn)近關(guān)系：沒有被遮擋的物體在前面而被遮擋的物體在后面。如圖

所示，一個(gè)圓柱體和一個(gè)長方體，其大小和在圖像中位置都沒有發(fā)生變化，只是改變物體的遮擋關(guān)系，我們可以輕易地辨別出遠(yuǎn)近關(guān)系。3.陰影：陰影的出現(xiàn)會(huì)影響人們對物體三維信息的判斷。如左圖所示，陰影可以幫助人們判斷物體的凹凸，亮的部分為光線照亮的部分，而暗的部分則是背著光線的部分，看到這樣的圖片，人們會(huì)自然而然地在心里產(chǎn)生空間層次感。4.紋理：紋理指的是物體表面一個(gè)小范圍的紋理結(jié)構(gòu)能夠顯出物體的三維形狀及其與觀看者的距離。5.先前認(rèn)知：人們在長期認(rèn)識世界的過程中，會(huì)形成自己的認(rèn)知，根據(jù)熟悉的物體與光線的相互作用及物體的運(yùn)動(dòng)方式，可以想象和推斷它們的三維形狀和距離。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of399調(diào)焦-輻輳的矛盾（Accommodation-vergenceconflict）存在于目前大多數(shù)三維顯示產(chǎn)品中。在長期觀看后用戶容易產(chǎn)生頭暈、惡心等不適感，因此被認(rèn)為是一種偽三維顯示技術(shù)。3.調(diào)焦-輻湊矛盾7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用全國高校標(biāo)準(zhǔn)教材《云計(jì)算》姊妹篇，剖析大數(shù)據(jù)核心技術(shù)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用of3910習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.3頭戴式7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3911LCD、OLED、LED、電子紙等，在尺寸、分辨率、色彩和對比度等方面都已取得了巨大的進(jìn)步。近年來VR和AR技術(shù)，在全球范圍內(nèi)掀起了一股熱潮。2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality，VR）技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生虛擬背景或環(huán)境，在一定范圍內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度相似的數(shù)字化虛擬世界的技術(shù)。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39123I特征沉浸感Immersion交互性Interactivity構(gòu)想性Imagination沉浸感又稱臨場感，是指用戶通過虛擬設(shè)備如頭戴式顯示設(shè)備和感知系統(tǒng)，沉浸于虛擬場景的感知程度。交互性是指用戶進(jìn)入虛擬環(huán)境之后，可以用自然的方式對虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作，并且得到反饋，同時(shí)保證操作的實(shí)時(shí)性和有效性。構(gòu)想性指的是虛擬的環(huán)境可提供廣闊的想象空間，拓寬人類的認(rèn)知范圍，其不僅可以再現(xiàn)一些日常的場景，還可以呈現(xiàn)出一些未知世界或者人類無法體驗(yàn)的場景。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39132.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)對用戶直接觀察到的真實(shí)信息進(jìn)行分析和處理，將生成的虛擬信息正確地疊加到真實(shí)場景中，從而使虛擬信息與真實(shí)世界無縫融合在一起，使用戶與虛擬物體進(jìn)行交互提高體驗(yàn)的真實(shí)感，并輔助用戶認(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39143個(gè)主要特征實(shí)時(shí)交互虛實(shí)融合三維注冊時(shí)交互是指用戶與真實(shí)世界和虛擬信息間的自然交互。相比于虛擬現(xiàn)實(shí)，交互對象則不再限制于虛擬世界，還包括現(xiàn)實(shí)世界中的物體。虛實(shí)融合指的是通過把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息疊加到真實(shí)的環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)。三維注冊技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。注冊就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體信息和真實(shí)場景的景物“精準(zhǔn)對齊”。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3915時(shí)交互增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39163.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要產(chǎn)品GoogleglassGoogleGlass是谷歌于2012年發(fā)布的一款具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的單目智能眼鏡，它可以像智能手機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)視頻通話、拍照、聽音樂、觀看視頻等功能。眼鏡前方的分光鏡，可以將硅基液晶微顯示屏投影的圖像反射成像到人眼視網(wǎng)膜上，同時(shí)讓外界環(huán)境光線透過進(jìn)入人眼，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的功能。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3917ODG眼鏡ODG眼鏡沒有將處理器和電池集成到一側(cè)，而是在鏡片上方中間位置集成了處理器、存儲(chǔ)器和攝像頭，兩側(cè)的空間則留給大容量電池。兩個(gè)1080P的OLED微顯示屏幕為用戶提供色彩炫麗的3D立體畫面。相比于GoogleGlass，在視角方面，ODG眼鏡的表現(xiàn)也更為出色，ODGR9眼鏡有50°的視角。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3918MetaMeta是一家可穿戴設(shè)備公司，主要專注于可穿戴計(jì)算和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，總部位于美國加利福尼亞州的PortolaValley。Meta2智能眼鏡采用較大尺寸的LCD顯示屏提供圖像源，可以實(shí)現(xiàn)接近90°的大視角，同時(shí)提供單眼1280×1440分辨率的畫面顯示。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3919Hololens微軟Hololen是由微軟公司2015年發(fā)布的，隨后這款產(chǎn)品成為世界矚目的焦點(diǎn)。在3D顯示方法上，此款產(chǎn)品依然采用的是雙目視差3D顯示技術(shù)，即通過左右眼顯示不同的視差圖像來實(shí)現(xiàn)3D顯示，而非全息顯示方法。美中不足的是Hololens的視角較小，只有30°左右，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)頭，虛擬物體就會(huì)移出視角范圍，影響了真實(shí)性感受。7.2頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39203.

AR眼鏡三維成像機(jī)理目前大部分VR/AR產(chǎn)品一般采用雙目視差式的三維顯示方法。雙目視差式顯示方法簡單，很容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大深度范圍的三維顯示，但其本質(zhì)上不符合人眼觀看真實(shí)世界三維物體的特性，用戶長時(shí)間觀看后容易產(chǎn)生視覺疲勞，甚至產(chǎn)生頭暈、惡心的癥狀。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.1人眼視覺因素7.3

頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用全國高校標(biāo)準(zhǔn)教材《云計(jì)算》姊妹篇，剖析大數(shù)據(jù)核心技術(shù)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用of3921習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.27.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3922VR簡化結(jié)構(gòu)HMD一般由圖像源、光學(xué)成像系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)及其他組裝附件組成。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備主要由一個(gè)微顯示屏和一個(gè)等效接目透鏡組成。微顯示屏位于接目鏡的焦面上或者一倍焦距以內(nèi)，形成一個(gè)放大的虛像。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3923AR簡化結(jié)構(gòu)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備除了微顯示屏、接目鏡，還有一個(gè)融合器（如分光鏡）。融合器的主要作用是把微顯示屏顯示的虛擬畫面導(dǎo)入人眼，同時(shí)又允許外部的光線透射進(jìn)入人眼。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39241.頭戴式顯示系統(tǒng)參數(shù)（1）分辨率。分辨率是指顯示器所能顯示的像素個(gè)數(shù)。顯示器可顯示的像素越多，畫面就越精細(xì)，相同區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多。對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)而言，分辨率主要取決于所采用的圖像源的分辨率。（2）視場角。視場角θ是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一個(gè)重要參數(shù)，是指畫面對人眼的張角，單位為（°）。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)既要顯示虛擬畫面，又要允許用戶看到現(xiàn)實(shí)世界，所以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中有虛擬畫面視場角和真實(shí)世界視場角兩個(gè)參數(shù)。

7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3925VR/AR簡化結(jié)構(gòu)（4）出瞳。出瞳是光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像，而入瞳是孔徑光闌在物空間的像。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的出瞳位置應(yīng)該與人眼瞳孔的入瞳重合。（5）出瞳距離。出瞳距離是指能看清整個(gè)視場時(shí)眼睛離開光學(xué)系統(tǒng)最后一個(gè)面中心的距離。（6）Eyebox。Eyebox指能夠看到完整圖像時(shí)眼睛移動(dòng)的范圍。為實(shí)現(xiàn)較好的畫面顯示，eyebox大小應(yīng)該能夠覆蓋人眼瞳孔。（7）Eyeclearance。Eyeclearance指的是人眼離頭戴式顯示系統(tǒng)（任意部位）的最近距離。17mm是允許用戶能夠佩戴頭戴式顯示器的最小距離，而20mm的距離則被認(rèn)為是一較合適的距離。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39262.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像源微顯示器根據(jù)制造工藝和材料不同，主要包括透射式液晶顯示（LCD）、有機(jī)電致發(fā)光顯示（OLED）、硅基液晶（LCoS）、硅基鐵電液晶（FLCoS）和數(shù)字微反射鏡（DMD）器件。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39273.接目光學(xué)系統(tǒng)在頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示中，接目光學(xué)系統(tǒng)包括接目鏡和融合器。（1）自由曲面棱鏡接目光學(xué)系統(tǒng)。自由曲面棱鏡接目光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。光學(xué)系統(tǒng)表面為經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的弧形結(jié)構(gòu)。微顯示器的光線從自由曲面頂部端面S4入射后在下一個(gè)玻璃-空氣界面S2發(fā)生全反射，然后在曲面分光鏡S3（鍍金屬分光鏡）處反射，再穿過S2進(jìn)入人眼。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3928（2）全息波導(dǎo)接目鏡光學(xué)系統(tǒng)。如圖7.23所示為一全息波導(dǎo)接目鏡光學(xué)系統(tǒng)。微顯示屏放在準(zhǔn)直透鏡的前焦面上，形成平行光束進(jìn)入波導(dǎo)，遭遇輸入耦合全息光柵以后，光線發(fā)生衍射，以較大入射角射入玻璃-空氣界面，滿足全反射條件而在波導(dǎo)中傳播，直到遇到輸出耦合全息光柵，再次發(fā)生衍射，因衍射光線入射角變小，不再滿足全反射條件，而從波導(dǎo)中出射，進(jìn)入人眼。由于全息光柵的波長選擇性，這里分別用三對光柵來實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三色的輸入和輸出耦合，從而生成彩色圖像。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39294.問題與挑戰(zhàn)

（2）亮度。由于室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的光亮度存在較大差別，室內(nèi)的光強(qiáng)亮度約為500cd/m2，而室外的亮度一般在1000cd/m2以上。對于現(xiàn)在的AR顯示，由于光源亮度和光能利用率等問題，一般只適合在室內(nèi)觀看，在強(qiáng)光的室外卻很難看清畫面，這也是目前限制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展的一個(gè)重要因素。（3）角分辨率與視場角的矛盾。（4）調(diào)焦-輻輳的矛盾。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39305.無視覺疲勞增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維顯示方法1．基于集成成像的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決了傳統(tǒng)三維顯示中的調(diào)焦和輻輳之間的矛盾。重建的三維光場信息再通過自由曲面的折射和反射作用，將微小的三維圖像在人眼前生成一個(gè)放大的虛像。缺點(diǎn)：分辨率低。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39312．基于全息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示基于全息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示，一般用空間光調(diào)制器生成較小的三維物體，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后，以虛像的形式成像在人眼前。缺點(diǎn)：計(jì)算量大、受限于空間光調(diào)制設(shè)備分辨率和尺寸。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39323．基于體三維的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示（1）基于可調(diào)液體透鏡的多層頭戴式AR顯示。通過對液體透鏡施加電壓，來改變液體透鏡的焦距，將微顯示屏上的圖像成像在不同位置，通過曲面反射鏡的光路傳遞，透過分光棱鏡，形成放大的虛像。通過時(shí)序控制加在液體透鏡上的電壓和微顯示屏上的圖像，可以準(zhǔn)確地將三維圖像的切片投影到準(zhǔn)確的深度，利用人眼視覺暫留效應(yīng)，在人眼前重建一個(gè)三維場景。缺點(diǎn)：由于受到微顯示屏刷新頻率和液體透鏡響應(yīng)時(shí)間的限制，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)的圖像顯示層數(shù)有限，圖像刷新率也不高。a）聚焦于虛擬物體（b）聚焦于最遠(yuǎn)的真實(shí)物7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39333．基于體三維的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示（1）基于可調(diào)反射鏡的多層頭戴式AR顯示。利用一個(gè)快速可調(diào)反射鏡來替代液體透鏡，圖像源也采用有更快刷新率的DMD。通過施加不同電壓改變球面反射鏡的焦距，進(jìn)而在不同的深度成像。缺點(diǎn)：要求DMMD具有較大的形變，此時(shí)施加的電壓高達(dá)210V。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.1人眼視覺因素7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品全國高校標(biāo)準(zhǔn)教材《云計(jì)算》姊妹篇，剖析大數(shù)據(jù)核心技術(shù)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用of3934習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用7.3頭7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39351.基于液晶透鏡液晶透鏡有很多種，比較常見的是多電極液晶透鏡，其結(jié)構(gòu)如圖

所示。主要結(jié)構(gòu)包括基板、公共電極、取向?qū)?、液晶和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。當(dāng)各驅(qū)動(dòng)電極上施加不同電壓時(shí)，不同區(qū)域的電場強(qiáng)度變化，導(dǎo)致液晶分子呈漸變分布，折射率和相位也形成類似透鏡形狀的分布，實(shí)現(xiàn)聚焦功能。液晶透鏡口徑較小，一般為幾毫米，并且有偏振選擇性。7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3936雙層液晶透鏡結(jié)構(gòu)（a）液晶透鏡表現(xiàn)為凸透鏡時(shí)成虛像在較遠(yuǎn)處

（b）液晶透鏡表現(xiàn)為凹透鏡時(shí)成實(shí)像在眼鏡附近通過改變液晶透鏡的焦距，使微顯示屏投射的圖像顯示在不同的深度位置，并通過分光鏡投射入人眼，使用戶既能觀看到現(xiàn)實(shí)世界的物體又能觀看到虛擬的畫面。7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39372.基于聚合物穩(wěn)定液晶散射片正型聚合物穩(wěn)定液晶的基本原理:在未施加電壓時(shí)，液晶分子由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的束縛雜亂地分布，樣品內(nèi)部的折射率也處于雜亂分布的狀態(tài)。因此，入射光被散射，但液晶膜片在宏觀上表現(xiàn)為如毛玻璃一般的模糊狀態(tài)。當(dāng)對聚合物穩(wěn)定液晶片施加電壓時(shí)，正型液晶分子受到電場的作用向與電場平行的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，液晶分子的尋常折射率no與聚合物的折射率相匹配.。此時(shí)，整個(gè)樣品對垂直入射的光表現(xiàn)出相同的折射率，液晶膜片表現(xiàn)為透明的透過狀態(tài)聚合物穩(wěn)定液晶往往需要較大的電壓。（a）施加電壓時(shí)的液晶分布（b）未施加電壓時(shí)的液晶分布7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3938通過施加電壓時(shí)序地控制多層液晶膜片的開關(guān)狀態(tài)，將三維物體的切片投影在液晶膜片上。通過控制液晶膜片的開關(guān)狀態(tài)和投影圖片的時(shí)序，使每個(gè)瞬間只有一個(gè)液晶膜片處于模糊狀態(tài)而其他液晶膜片處于透過狀態(tài)。這樣便在液晶膜片組上形成了一幅三維物體畫面。7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39393.基于液晶偏振旋轉(zhuǎn)器用一片90°扭曲的TwistedNematic（TN）液晶片作為偏振旋轉(zhuǎn)器，通過電壓的施加或撤除可以將入射線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°或保持不變，從而使光線以s光或者p光的形式入射到偏振分光棱鏡。s光和p光在系統(tǒng)中形成兩個(gè)不同光程的光路，經(jīng)透鏡L2成像后，生成兩個(gè)不同深度的圖像。7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液1．簡述虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)特性。2．簡述虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的區(qū)別。3．視差式三維顯示技術(shù)的原理是什么？4．人眼生理深度暗示的要素包括哪些內(nèi)容？5．人眼心理深度暗示的要素包括哪些內(nèi)容？習(xí)題：1．簡述虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)特性。習(xí)題：液晶光子學(xué)液晶光子學(xué)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用of3942習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3943眼睛是人類的視覺器官，人類對外界超過80%的感知信息都是通過眼睛獲得的。人眼是一套由角膜、晶狀體、玻璃體及視網(wǎng)膜等組成的完整的視覺感知系統(tǒng)。1．人眼視覺模型1.屈光度：眼睛折射光線的作用稱為屈光。在光學(xué)中，通常用屈光度或焦度來度量光學(xué)系統(tǒng)的屈光能力，用φ表示，為焦距的倒數(shù)，單位為D（1D=1m-1）。2.瞳孔：是動(dòng)物或人眼睛內(nèi)虹膜中心的小圓孔，為光線進(jìn)入眼睛的通道。其附近肌肉可調(diào)節(jié)瞳孔的大小。一般人的瞳孔直徑大小在1.5～8mm之間變動(dòng)，人眼平均的瞳孔大小約為3mm。明適應(yīng)：當(dāng)人從暗環(huán)境進(jìn)入明亮環(huán)境時(shí)，瞳孔會(huì)迅速變小，減少光通量，不至于因光線太強(qiáng)而灼傷眼睛。暗適應(yīng)：從明亮環(huán)境進(jìn)入暗環(huán)境時(shí)，瞳孔會(huì)變大，以增加光通量，看清楚黑暗物體7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39441．人眼視覺模型3.分辨率：人眼的分辨率是角分辨率。當(dāng)空間中兩個(gè)點(diǎn)對人眼所成的張角小于人眼的分辨率時(shí)，人眼將無法對這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。人眼角分辨率θ

的計(jì)算需遵循瑞利判據(jù)，θ=1.22λ/D，其中λ為光波長，D為瞳孔直徑。4.視覺暫留：當(dāng)人眼所看到的影像消失后，人眼仍能繼續(xù)保留圖像0.1～0.4s。這種殘留的圖像稱“后像”，而這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。一般來說當(dāng)每秒有24幅或更多的圖片進(jìn)行更替變換時(shí)，人眼就會(huì)看到一個(gè)連續(xù)的畫面，這也是視頻播放的原理。視頻播放的最低刷新速度為24Hz。對于顯示器件，一般要求其刷新率達(dá)到60Hz，畫面才不會(huì)有明顯的閃爍感。5.視場角：視場角是指人眼能夠觀看到的最大的視野范圍。人類單眼視場角通常在水平方向上有150°～160°，在豎直方向上有120°～130°。雙眼視場角在水平方向可以達(dá)到200°～210°；當(dāng)眼球移動(dòng)時(shí)，水平方向的視場角可以擴(kuò)大到290°。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39452．深度暗示人眼雙目視覺系統(tǒng)對不同深度的物體可產(chǎn)生不同立體視覺感受，產(chǎn)生這些立體視覺感受的因素稱為深度暗示。深度暗示分為生理深度暗示和心理深度暗示。生理深度暗示1.調(diào)焦：調(diào)焦是指當(dāng)物體處于不同距離時(shí)，睫狀肌需要對晶狀體的形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變眼睛的屈光度，從而在視網(wǎng)膜上獲得清晰的成像，如圖所示；反之，人們也可以從睫狀肌的收縮或放松程度來反推三維物體的深度。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3946生理深度暗示2.輻輳：觀看三維空間中的一點(diǎn)時(shí)，雙目的視軸會(huì)交會(huì)于該點(diǎn)，形成輻輳角。看向近處物體時(shí)，眼球會(huì)朝內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使輻輳角變大；反之，看向遠(yuǎn)處物體時(shí)，輻輳角會(huì)變小，如圖所示。輻輳角的大小與人眼觀看距離近似成反比，因此，根據(jù)視軸輻輳角的大小，大腦可以反推出物體的深度信息，這種生理深度暗示稱為輻輳。3.移動(dòng)視差：當(dāng)觀察者相對于三維物體的位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，觀察得到的圖像也會(huì)發(fā)生變化，距離越近的物體移動(dòng)得越快，越遠(yuǎn)的物體移動(dòng)得越慢。這種深度感知要素稱為移動(dòng)視差。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3947生理深度暗示4.雙目視差：由于兩眼之間存在一定的間距（瞳孔間距，約為6.5cm），在觀察某個(gè)三維物體時(shí)，左、右眼與該物體的相對位置不一樣，觀察得到的圖像也存在差異。左眼看到左邊的部分多一些，右眼看到的右邊部分多一些，因此，左、右眼視網(wǎng)膜感受到不同的刺激，形成視覺上的差異，即雙目視差。心理深度暗示1.線性透視：景物隨著距離的變大而在視野中顯得越來越小。就好像道路在遠(yuǎn)處在視野中會(huì)逐漸成縮小成一點(diǎn)。如圖7.3所示，利用線性透視，人們可以明確地分辨出遠(yuǎn)近信息。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3948心理深度暗示2.遮擋：遮擋是指前面（距離較近）的不透明物體會(huì)遮住后面（距離較遠(yuǎn)）的物體的某一部分。人們會(huì)根據(jù)遮擋與被遮擋的關(guān)系，可以自然而然地判斷出物體的遠(yuǎn)近關(guān)系：沒有被遮擋的物體在前面而被遮擋的物體在后面。如圖

所示，一個(gè)圓柱體和一個(gè)長方體，其大小和在圖像中位置都沒有發(fā)生變化，只是改變物體的遮擋關(guān)系，我們可以輕易地辨別出遠(yuǎn)近關(guān)系。3.陰影：陰影的出現(xiàn)會(huì)影響人們對物體三維信息的判斷。如左圖所示，陰影可以幫助人們判斷物體的凹凸，亮的部分為光線照亮的部分，而暗的部分則是背著光線的部分，看到這樣的圖片，人們會(huì)自然而然地在心里產(chǎn)生空間層次感。4.紋理：紋理指的是物體表面一個(gè)小范圍的紋理結(jié)構(gòu)能夠顯出物體的三維形狀及其與觀看者的距離。5.先前認(rèn)知：人們在長期認(rèn)識世界的過程中，會(huì)形成自己的認(rèn)知，根據(jù)熟悉的物體與光線的相互作用及物體的運(yùn)動(dòng)方式，可以想象和推斷它們的三維形狀和距離。7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3949調(diào)焦-輻輳的矛盾（Accommodation-vergenceconflict）存在于目前大多數(shù)三維顯示產(chǎn)品中。在長期觀看后用戶容易產(chǎn)生頭暈、惡心等不適感，因此被認(rèn)為是一種偽三維顯示技術(shù)。3.調(diào)焦-輻湊矛盾7.1人眼視覺因素第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用全國高校標(biāo)準(zhǔn)教材《云計(jì)算》姊妹篇，剖析大數(shù)據(jù)核心技術(shù)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用of3950習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.3頭戴式7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3951LCD、OLED、LED、電子紙等，在尺寸、分辨率、色彩和對比度等方面都已取得了巨大的進(jìn)步。近年來VR和AR技術(shù)，在全球范圍內(nèi)掀起了一股熱潮。2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality，VR）技術(shù)是一種通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生虛擬背景或環(huán)境，在一定范圍內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度相似的數(shù)字化虛擬世界的技術(shù)。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39523I特征沉浸感Immersion交互性Interactivity構(gòu)想性Imagination沉浸感又稱臨場感，是指用戶通過虛擬設(shè)備如頭戴式顯示設(shè)備和感知系統(tǒng)，沉浸于虛擬場景的感知程度。交互性是指用戶進(jìn)入虛擬環(huán)境之后，可以用自然的方式對虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作，并且得到反饋，同時(shí)保證操作的實(shí)時(shí)性和有效性。構(gòu)想性指的是虛擬的環(huán)境可提供廣闊的想象空間，拓寬人類的認(rèn)知范圍，其不僅可以再現(xiàn)一些日常的場景，還可以呈現(xiàn)出一些未知世界或者人類無法體驗(yàn)的場景。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39532.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)對用戶直接觀察到的真實(shí)信息進(jìn)行分析和處理，將生成的虛擬信息正確地疊加到真實(shí)場景中，從而使虛擬信息與真實(shí)世界無縫融合在一起，使用戶與虛擬物體進(jìn)行交互提高體驗(yàn)的真實(shí)感，并輔助用戶認(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39543個(gè)主要特征實(shí)時(shí)交互虛實(shí)融合三維注冊時(shí)交互是指用戶與真實(shí)世界和虛擬信息間的自然交互。相比于虛擬現(xiàn)實(shí)，交互對象則不再限制于虛擬世界，還包括現(xiàn)實(shí)世界中的物體。虛實(shí)融合指的是通過把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息疊加到真實(shí)的環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)。三維注冊技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。注冊就是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體信息和真實(shí)場景的景物“精準(zhǔn)對齊”。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3955時(shí)交互增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39563.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要產(chǎn)品GoogleglassGoogleGlass是谷歌于2012年發(fā)布的一款具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的單目智能眼鏡，它可以像智能手機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)視頻通話、拍照、聽音樂、觀看視頻等功能。眼鏡前方的分光鏡，可以將硅基液晶微顯示屏投影的圖像反射成像到人眼視網(wǎng)膜上，同時(shí)讓外界環(huán)境光線透過進(jìn)入人眼，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的功能。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3957ODG眼鏡ODG眼鏡沒有將處理器和電池集成到一側(cè)，而是在鏡片上方中間位置集成了處理器、存儲(chǔ)器和攝像頭，兩側(cè)的空間則留給大容量電池。兩個(gè)1080P的OLED微顯示屏幕為用戶提供色彩炫麗的3D立體畫面。相比于GoogleGlass，在視角方面，ODG眼鏡的表現(xiàn)也更為出色，ODGR9眼鏡有50°的視角。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3958MetaMeta是一家可穿戴設(shè)備公司，主要專注于可穿戴計(jì)算和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，總部位于美國加利福尼亞州的PortolaValley。Meta2智能眼鏡采用較大尺寸的LCD顯示屏提供圖像源，可以實(shí)現(xiàn)接近90°的大視角，同時(shí)提供單眼1280×1440分辨率的畫面顯示。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.2頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3959Hololens微軟Hololen是由微軟公司2015年發(fā)布的，隨后這款產(chǎn)品成為世界矚目的焦點(diǎn)。在3D顯示方法上，此款產(chǎn)品依然采用的是雙目視差3D顯示技術(shù)，即通過左右眼顯示不同的視差圖像來實(shí)現(xiàn)3D顯示，而非全息顯示方法。美中不足的是Hololens的視角較小，只有30°左右，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)頭，虛擬物體就會(huì)移出視角范圍，影響了真實(shí)性感受。7.2頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39603.

AR眼鏡三維成像機(jī)理目前大部分VR/AR產(chǎn)品一般采用雙目視差式的三維顯示方法。雙目視差式顯示方法簡單，很容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大深度范圍的三維顯示，但其本質(zhì)上不符合人眼觀看真實(shí)世界三維物體的特性，用戶長時(shí)間觀看后容易產(chǎn)生視覺疲勞，甚至產(chǎn)生頭暈、惡心的癥狀。7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.1人眼視覺因素7.3

頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品7.4基于液晶器件的AR應(yīng)用全國高校標(biāo)準(zhǔn)教材《云計(jì)算》姊妹篇，剖析大數(shù)據(jù)核心技術(shù)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用of3961習(xí)題第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用7.1人眼視覺因素7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)7.27.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3962VR簡化結(jié)構(gòu)HMD一般由圖像源、光學(xué)成像系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)及其他組裝附件組成。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備主要由一個(gè)微顯示屏和一個(gè)等效接目透鏡組成。微顯示屏位于接目鏡的焦面上或者一倍焦距以內(nèi)，形成一個(gè)放大的虛像。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3963AR簡化結(jié)構(gòu)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備除了微顯示屏、接目鏡，還有一個(gè)融合器（如分光鏡）。融合器的主要作用是把微顯示屏顯示的虛擬畫面導(dǎo)入人眼，同時(shí)又允許外部的光線透射進(jìn)入人眼。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39641.頭戴式顯示系統(tǒng)參數(shù)（1）分辨率。分辨率是指顯示器所能顯示的像素個(gè)數(shù)。顯示器可顯示的像素越多，畫面就越精細(xì)，相同區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多。對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)而言，分辨率主要取決于所采用的圖像源的分辨率。（2）視場角。視場角θ是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一個(gè)重要參數(shù)，是指畫面對人眼的張角，單位為（°）。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)既要顯示虛擬畫面，又要允許用戶看到現(xiàn)實(shí)世界，所以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中有虛擬畫面視場角和真實(shí)世界視場角兩個(gè)參數(shù)。

7.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及產(chǎn)品第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3965VR/AR簡化結(jié)構(gòu)（4）出瞳。出瞳是光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像，而入瞳是孔徑光闌在物空間的像。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的出瞳位置應(yīng)該與人眼瞳孔的入瞳重合。（5）出瞳距離。出瞳距離是指能看清整個(gè)視場時(shí)眼睛離開光學(xué)系統(tǒng)最后一個(gè)面中心的距離。（6）Eyebox。Eyebox指能夠看到完整圖像時(shí)眼睛移動(dòng)的范圍。為實(shí)現(xiàn)較好的畫面顯示，eyebox大小應(yīng)該能夠覆蓋人眼瞳孔。（7）Eyeclearance。Eyeclearance指的是人眼離頭戴式顯示系統(tǒng)（任意部位）的最近距離。17mm是允許用戶能夠佩戴頭戴式顯示器的最小距離，而20mm的距離則被認(rèn)為是一較合適的距離。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39662.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像源微顯示器根據(jù)制造工藝和材料不同，主要包括透射式液晶顯示（LCD）、有機(jī)電致發(fā)光顯示（OLED）、硅基液晶（LCoS）、硅基鐵電液晶（FLCoS）和數(shù)字微反射鏡（DMD）器件。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39673.接目光學(xué)系統(tǒng)在頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示中，接目光學(xué)系統(tǒng)包括接目鏡和融合器。（1）自由曲面棱鏡接目光學(xué)系統(tǒng)。自由曲面棱鏡接目光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。光學(xué)系統(tǒng)表面為經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的弧形結(jié)構(gòu)。微顯示器的光線從自由曲面頂部端面S4入射后在下一個(gè)玻璃-空氣界面S2發(fā)生全反射，然后在曲面分光鏡S3（鍍金屬分光鏡）處反射，再穿過S2進(jìn)入人眼。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of3968（2）全息波導(dǎo)接目鏡光學(xué)系統(tǒng)。如圖7.23所示為一全息波導(dǎo)接目鏡光學(xué)系統(tǒng)。微顯示屏放在準(zhǔn)直透鏡的前焦面上，形成平行光束進(jìn)入波導(dǎo)，遭遇輸入耦合全息光柵以后，光線發(fā)生衍射，以較大入射角射入玻璃-空氣界面，滿足全反射條件而在波導(dǎo)中傳播，直到遇到輸出耦合全息光柵，再次發(fā)生衍射，因衍射光線入射角變小，不再滿足全反射條件，而從波導(dǎo)中出射，進(jìn)入人眼。由于全息光柵的波長選擇性，這里分別用三對光柵來實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三色的輸入和輸出耦合，從而生成彩色圖像。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39694.問題與挑戰(zhàn)

（2）亮度。由于室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的光亮度存在較大差別，室內(nèi)的光強(qiáng)亮度約為500cd/m2，而室外的亮度一般在1000cd/m2以上。對于現(xiàn)在的AR顯示，由于光源亮度和光能利用率等問題，一般只適合在室內(nèi)觀看，在強(qiáng)光的室外卻很難看清畫面，這也是目前限制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展的一個(gè)重要因素。（3）角分辨率與視場角的矛盾。（4）調(diào)焦-輻輳的矛盾。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39705.無視覺疲勞增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維顯示方法1．基于集成成像的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決了傳統(tǒng)三維顯示中的調(diào)焦和輻輳之間的矛盾。重建的三維光場信息再通過自由曲面的折射和反射作用，將微小的三維圖像在人眼前生成一個(gè)放大的虛像。缺點(diǎn)：分辨率低。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39712．基于全息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示基于全息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示，一般用空間光調(diào)制器生成較小的三維物體，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后，以虛像的形式成像在人眼前。缺點(diǎn)：計(jì)算量大、受限于空間光調(diào)制設(shè)備分辨率和尺寸。7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶7.3頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)第7章增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)及液晶器件的應(yīng)用of39723．基于體三維的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示（1）基于可調(diào)液體透鏡的多層頭戴式AR顯示。通過對液體透鏡施加電壓，來改變液體透鏡的焦距，將微顯示屏上的圖像成像在不同位置，通過曲面反射鏡的光路傳遞，透過分光棱鏡，形成放大的虛像。通過時(shí)序