Оптика очков и шлемов: micro-OLED, pancake, birdbath и волноводы
Как источник изображения связан с линзами и волноводами, где теряется свет и почему тип оптики не определяет чёткость сам по себе.
Micro-OLED, pancake и волновод часто стоят рядом в описании XR-устройства, хотя отвечают на разные вопросы. Micro-OLED создаёт изображение. Pancake-оптика направляет и фокусирует его свет в компактной конструкции. Волновод переносит свет через прозрачный элемент и выводит его к глазу. Чтобы понять паспорт очков, эти части полезно рассматривать по отдельности.
Путь картинки начинается с дисплея или проекционного модуля, проходит через оптику и заканчивается изображением в поле зрения. Для прозрачных очков к нему добавляется свет реального окружения. В закрытом шлеме изображение внешнего мира, если оно есть, приходит через камеры.
Micro-OLED: маленький источник изображения
OLED-пиксели излучают свет сами. В OLED-микродисплее электроника управления может находиться на кремниевой подложке, что позволяет разместить много пикселей на небольшой площади. Sony описывает свои micro-OLED именно как OLED на монокристаллическом кремнии; у её решений белое излучение сочетается с цветными фильтрами. Это описание конкретной технологии Sony, а не обязательная конструкция всех OLED-микродисплеев.
Micro-OLED отличается от microLED. Сходное слово micro не делает органический OLED-дисплей матрицей из неорганических микросветодиодов.
Плотность PPI у маленькой панели может быть высокой, но пользователь смотрит на неё через оптику. Итоговая угловая детализация зависит от того, на какое поле зрения растянуто изображение. Поэтому PPI матрицы и PPD видимой картинки нельзя подменять друг другом. У Sony есть описание OLED-микродисплеев, а связь физического размера с пикселями разобрана в материале о PPI и масштабе.
В шлемах используют и LCD. У LCD свет проходит через жидкокристаллическую матрицу от подсветки. Выбор панели влияет на конструкцию и характеристики изображения, но из него не следует единственный возможный тип линз. В обзоре исследователей в Device дисплеи и формирующая изображение оптика разобраны как связанные, но отдельные части системы.
Pancake: световой путь складывается внутри оптики
В обычной увеличивающей системе между панелью и глазом нужно оставить место для оптического пути. Pancake позволяет сложить этот путь отражениями. В распространённой конструкции используются полупрозрачное зеркало, элементы, меняющие поляризацию, и отражающий поляризатор. Свет проходит участок несколько раз, прежде чем выйти к глазу.
Так можно уменьшить глубину оптического модуля. При этом часть света теряется на элементах системы. Дисплей и оптику приходится проектировать совместно: яркость панели до линз и яркость изображения после них различаются.
Одного универсального процента потерь для всех pancake нет. В исследовательских работах описаны обычные конструкции, варианты с повторным использованием света и экспериментальные решения с другими поляризационными элементами. Результат конкретной схемы нельзя переносить на любой шлем с этой надписью в паспорте.
Pancake также не означает, что пользователь видит комнату напрямую. В закрытом устройстве линзы показывают внутренние дисплеи. При включении passthrough реальное окружение сначала снимают камеры; подробнее это разобрано в статье о режимах AR, VR и MR.
Birdbath: светоделитель и изогнутое зеркало
Birdbath относится к схемам совмещения изображения с внешним миром. Типичная схема сочетает плоский светоделитель с изогнутым частично отражающим элементом. Отражения направляют свет источника к глазу. Изогнутый элемент формирует виртуальное изображение; свет окружающего мира проходит через оптическую систему своим путём.
Такие схемы позволяют получить заметное поле изображения, но требуют объёма для отражённого пути. Светоделение влияет и на полезный свет дисплея, и на то, сколько света окружения доходит до глаза. Поэтому толщину и прозрачность очков нельзя оценить по маленькому размеру матрицы.
В обзоре Frontiers in Virtual Reality birdbath рассматривается среди схем на основе светоделителей; авторы отдельно обсуждают ограничения поля зрения, размера и искажений. Сравнивать birdbath с волноводной моделью нужно по параметрам готовых устройств.
Волновод: изображение переносится внутри прозрачного элемента
Проекционный модуль вводит свет в прозрачную пластину. Затем свет распространяется по ней и выводится в сторону глаза. В очках это позволяет разнести источник изображения и зону, через которую пользователь смотрит на мир.
В дифракционных волноводах вводом, переносом и выводом света управляют решётки или голографические структуры. В геометрических, также называемых отражающими, используют частично отражающие элементы. У каждой архитектуры есть ограничения, связанные с полем зрения, цветом, распределением яркости и изготовлением.
Lumus объясняет принцип геометрических волноводов через отражения и массивы полупрозрачных зеркал. Заявления этой компании о превосходстве своих решений относятся к позиции производителя; сам принцип работы не доказывает преимущество каждой модели по всем параметрам.
Волновод не увеличивает разрешение исходной картинки и не гарантирует отсутствие паразитных отражений. Тонкая линза также не обещает неограниченное поле зрения. Геометрия, источник изображения и допустимые положения глаза задают общий результат.
Геометрический и дифракционный волноводы: ввод, расширение и вывод света. Rolland & Goodsell, Light: Science & Applications.
Eyebox и IPD: где должен находиться глаз
Eyebox называют областью, в которой глаз может получить предусмотренное изображение. Если глаз смещается за рабочую область, часть картинки может исчезать или меняться. Это объясняет, почему при примерке важны положение оправы, носоупоры и расстояние между зрачками.
Расстояние между центрами зрачков называют IPD. Регулировка IPD и размер eyebox связаны с посадкой, но не являются одним параметром. Широкая программная настройка не доказывает, что физическая оптика одинаково подходит любому лицу. Обзор Frontiers выделяет ограниченный eyebox среди общих проблем дисплеев возле глаза.
Как читать характеристики готовых очков
Сначала найдите разрешение на глаз и режим входного изображения. Затем поле зрения с указанием оси: горизонтальное, вертикальное или диагональное. Если ось не названа, вычисленный по ней PPD будет ненадёжным. Большое поле зрения и высокая угловая детализация требуют разных ресурсов: при том же числе пикселей расширение поля уменьшает среднее число пикселей на градус.
Отдельно уточните, где измерена яркость. Ниты микродисплея до оптических элементов и яркость изображения, которое получает глаз, не равны. У прозрачных очков видимость зависит также от пропускания реального фона и затемнения. Поэтому сравнение максимальной яркости из разных паспортов без методики может ввести в заблуждение.
Наконец, проверьте картинку при движении глаз и головы, текст у краёв, отражения на светлом фоне и подходящую посадку. По одному названию оптики оценить эти свойства нельзя. Материал о видеополосе объяснит ещё одно ограничение до оптики: какой поток изображения способен передать источник и интерфейс.