微顯示在智能眼鏡的應(yīng)用與光學(xué)設(shè)計(jì)綱要2? 智能眼鏡之近眼顯示與微顯示技術(shù)– 近眼顯示主要應(yīng)用– 微顯示器件（LCoS，LCD&

OLED）– 應(yīng)用于智能眼鏡的微顯示技術(shù)對(duì)比? 近眼顯示光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)– 近眼顯示特點(diǎn)– 主要性能參數(shù)– 設(shè)計(jì)的制約因素? 智能眼鏡光學(xué)設(shè)計(jì)分類與簡(jiǎn)析? 總結(jié)近眼顯示發(fā)展歷程近眼顯示起于頭盔顯示應(yīng)用（HeadMountedDisplay，HMD），早期主要是為軍事應(yīng)用，用在飛行員頭盔上，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。Sutherland1968年HoneywellIHADSS1980sRockwell-CollinsHIDSS1999年BAEQ-Sight2009年OLEDHMPD2004眼鏡形態(tài)頭戴顯示2009年Lumus

dk402014EPSON

BT-2002014Vizux

m1002014隨著半導(dǎo)體技術(shù)以及光、機(jī)、電技術(shù)的發(fā)展，近眼顯示開始應(yīng)用于商業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品1916年Micro

optical’s3其他近眼顯示應(yīng)用? 視頻眼鏡

(雙目）? 取景器

（EVF）– 槍瞄/夜視儀– 相機(jī)/攝像機(jī)4智能眼鏡與近眼顯示微顯示屏LCoS–

Googleglass,LCD--Vuzixm100,EpsonBT-200,

Golden-iOLED–SonyHMZ

T3智能眼鏡硬件=近眼顯示+應(yīng)用處理系統(tǒng)(AP)+

外觀設(shè)計(jì)+

其他（攝像、傳感、網(wǎng)絡(luò)..）+電池近眼顯示=

微顯示器+近眼光學(xué)微顯示器主要技術(shù)：5微顯示技術(shù)--LCoSLCoS：LiquidCrystalonSilicon，

硅基液晶LCoS=反射式液晶器件

（LCD）+集成電路（IC）集成電路LCoS?Back

Plane高反射電極6-12μLCoS

微顯示芯片LCoS

微顯示晶圓? 在IC芯片上集成超高精細(xì)度的像素點(diǎn)，精細(xì)度可達(dá)

3000dpi，? 占空比：>

90%? 尺寸：0.2

“~1”色彩方式1：RGB

Filter，類似TFT-LCD6色彩方式2：color

sequential，類似DMD微顯示技術(shù)--LCDHTPS-TFTLCD– 結(jié)構(gòu)類似TFT-LCD，基板為石英，

采用高溫多晶硅(HTPS)工藝制作TFT

Array– 色彩方式：

CS以及CF– 像素占空比可達(dá)70%– 主要應(yīng)用于投影儀和取景器Epson，Citizen– BT-200

使用qHDx-Si

LCD– 結(jié)構(gòu)類似TFT-LCD，基板為玻璃或石英。先在SOIwafer上實(shí)現(xiàn)矩陣，在通過liftoff工藝剝離出器件層并貼合在玻璃基板上– 色彩方式：CS

以及CFKopin獨(dú)家技術(shù)，Vuzixm100,

Golden-i7微顯示技術(shù)--OLEDOLEDoS:OLEDonSilicon,類似LCoS,需要CMOS基板色彩方式：白光OLED+RGBColorfilter，不同于智能手機(jī)用的AMOLED屏幕? 主要特點(diǎn)：自發(fā)光，光學(xué)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，可低溫環(huán)境工作。廠商：eMagin，Sony，

Olightek8近眼顯示應(yīng)用的微顯示對(duì)比規(guī)格LCoSLCDOLED分辨率

（PPI）填充率亮度對(duì)比度響應(yīng)速度色彩顯示光學(xué)復(fù)雜性成本對(duì)比僅做參考，不針對(duì)具體產(chǎn)品9近眼顯示光學(xué)特點(diǎn)10? 放大虛像– 成虛像，不同于照相系統(tǒng)或投影，是無焦點(diǎn)（afocal）系統(tǒng)– 圖像質(zhì)量既受微顯示器影響，也受近眼光學(xué)設(shè)計(jì)影響– 評(píng)估方式與平板顯示不同，除了考慮微顯示屏的規(guī)格，圖像的質(zhì)量取決于近眼光學(xué)– 光學(xué)設(shè)計(jì)綜合成像（imaging）與照明（non-imaging)光學(xué)? 設(shè)計(jì)需要考慮的參數(shù)– 微顯示器相關(guān)：分辨率、色彩、響應(yīng)速度、對(duì)比度、亮度– 人眼視覺：瞳孔大小、近（遠(yuǎn)）視度調(diào)節(jié)、眼間距– 光學(xué)相關(guān)：視場(chǎng)角、眼距、眼動(dòng)范圍、MTF、色散、畸變、鬼影– 其他：結(jié)構(gòu)尺寸、重量人眼視覺系統(tǒng)人眼結(jié)構(gòu)類似一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，包含透鏡組和傳感器，是近眼顯示光學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。眼睛的光學(xué)模型?分辨能力:根據(jù)光學(xué)衍射定律，人眼對(duì)靜態(tài)像素的分辨能力大約是1/60度，運(yùn)動(dòng)分辨能力降低數(shù)倍?瞳孔大小(Pupil)：隨環(huán)境光線強(qiáng)弱而變化，一般晝夜區(qū)間變化2

~5mm視場(chǎng)范圍（Fieldof

View)11? 左右：190

，單目155

，重疊120

? 上下：120

瞳間距（interpupillarydistance，IPD）:56~75mm近眼光學(xué)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)視場(chǎng)角（FieldOfView,

FOV)– 視場(chǎng)角越大，虛擬圖像越大，沉浸感越強(qiáng)– 小視場(chǎng):

15~30,

適合單目透視或遮擋式眼鏡，用于擴(kuò)增實(shí)景– 中視場(chǎng):30~50,

雙目視頻眼鏡– 大視場(chǎng):>50,

沉浸式眼鏡，用于虛擬現(xiàn)實(shí)– 大于30，人眼不斷轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，容易疲勞。眼距(EyeRelief

)– 最接近眼睛的目鏡到眼睛的距離– 18mm-25mm

比較合適– 眼距增大，光學(xué)系統(tǒng)體積和成本

都將增大眼動(dòng)范圍（Eye

Box)– 光學(xué)系統(tǒng)的出瞳（Exit

Pupil）– 大于人眼的瞳孔，以免圖像邊緣不可見– 5~12

mm

眼距12光學(xué)設(shè)計(jì)的制約因素? FOV與Eyebox

，微顯示屏尺寸關(guān)系– 根據(jù)拉格朗日不變量可以（近似）推導(dǎo)：FOV=2

?

tan?1 ??/2??.

??.

??=2

?

tan?1 ??2?????_????????????D:

微顯示尺寸E.F.L：等效焦距

：眼動(dòng)范圍f-number:光學(xué)系統(tǒng)

f/#1. 微顯示尺寸大，F(xiàn)OV越大2. f/#

越小，系統(tǒng)焦距越短，F(xiàn)OV越大3.

但結(jié)構(gòu)體積也越大（通過光波導(dǎo)技術(shù)解決）4.

在f/#設(shè)定條件下，F(xiàn)OV與眼動(dòng)范圍成反向關(guān)系13智能眼鏡光學(xué)設(shè)計(jì)分類? 以觀察實(shí)景的方式分類透視式(Seethrough)：Googleglass、Epson

BT-200遮目式(nonsee

through)：Vuzix、Golden-I沉浸式(Immersive)：SonyHM-TZ,Oculus

VR? 按應(yīng)用方式分類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality,

AR，或擴(kuò)增實(shí)景)? 顯示的虛擬圖像與實(shí)景融合? 單目或雙目，透視或者遮目式FOV：15

~30

，Eyerelief：>=20

mm虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtualreality，

VR）? 沉浸式，視覺完全遮擋FOV:>40

，Eyerelief:=<15

mmOculusRift，Sony

Morpheus像源實(shí)景14智能眼鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)—曲面鏡透視式：Googleglass

（折光）151、LCoS

（nHD）2、LED背光3、PBS4、偏光片5、棱鏡-1（半透半反射鍍膜）6、棱鏡-2

(帶自由曲面反射面）? 遮目式：Vuzix

m100沉浸式：Sony

HMZ-T3? 人眼前方的光學(xué)部件厚度：10~30mm，? FOV越大，厚度增大

對(duì)外觀時(shí)尚設(shè)計(jì)是重大挑戰(zhàn)智能眼鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)—光波導(dǎo)式Lumus

DK40平板全息波導(dǎo)(Hologramlightguide),Sony,SID

(2008)。FOV：20，導(dǎo)光板厚度：1.4mm；

加工難度大，未見量產(chǎn)16超大視場(chǎng)角—Oculus

Rift? 光學(xué)主要特點(diǎn)–

沉浸式–

大視場(chǎng)角, >

100

–顯示屏大，5.7inch，單目對(duì)應(yīng)的屏面積

3.74”? 不同于傳統(tǒng)近眼顯示–

未采用微顯示屏–單片放大鏡，無光學(xué)像差矯正，可看到色彩分離，像素點(diǎn)與間隔17主要智能眼鏡的光學(xué)規(guī)格18? 視場(chǎng)角與顯示屏尺寸有對(duì)應(yīng)關(guān)系? 透視式眼鏡實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角、薄型化具有挑戰(zhàn)性，多采用光波導(dǎo)技術(shù)，量產(chǎn)化有待驗(yàn)證智能眼鏡透視/

遮擋分辨率微顯示屏（尺寸）光學(xué)視場(chǎng)角參考價(jià)格（USD）

Google

glass透640*3600.22"曲面鏡141,500Vuzix

M-100遮428*2400.2"曲面鏡151,000Kopin

Golden-i遮640*3600.26"曲面鏡151,500Sony

HMZ-3T遮1280*7200.7"曲面鏡451,000Epson

BT-200透960*5400.42"光波導(dǎo)23700Lumus

DK-40透640*4800.35"光波導(dǎo)25Optinvent

Ora透640*4800.35"光波導(dǎo)24950Oculus

Rift遮1280*8005.7"放大鏡100350總結(jié)19

智能眼鏡光學(xué)顯示設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的工程，涉及微顯示技術(shù)、近眼光學(xué)、視覺系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、人體工學(xué)、時(shí)尚設(shè)計(jì)等多個(gè)方面；要綜合考慮性能（光學(xué)與電子）、穿戴舒適性、以及時(shí)尚性

用于智能眼鏡的微顯示技術(shù)主要有LCoS，LCD與OLED，目前已有的產(chǎn)品大多用LCD與LCoS，各有應(yīng)用；

長(zhǎng)遠(yuǎn)看OLED有優(yōu)勢(shì)，但價(jià)格太高，成為主流尚需時(shí)日

近眼顯示模組作為關(guān)鍵部件，與智能眼鏡的外觀、使用舒適性、視覺體驗(yàn)感、功耗、成本有著直接的關(guān)聯(lián)

近眼顯示模組視覺體驗(yàn)感的主要參數(shù)為視場(chǎng)角、眼動(dòng)范圍以及眼距，相互關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合權(quán)衡。

智能眼鏡的近眼顯示可以分為透視、遮目、與沉浸式三種，分別對(duì)應(yīng)擴(kuò)增實(shí)景（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）終端應(yīng)用，兩種應(yīng)用對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)路線有區(qū)別，需根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用與需求而定

考慮目前近眼顯示技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈完善程度，消費(fèi)類產(chǎn)品必須具備的時(shí)尚、舒適、價(jià)格等因素尚未具備

，智能眼鏡有可能先在行業(yè)應(yīng)用推行。參考資料20“Opticaldesignforvisualsystem”BruceH

Walker“Optics”Eugene

Hecht“ModernOpticalEngineering”War