解决AR/VR/MR/XR设备组件质量问题

2022年 2月 28日

话题:

作者:

Anne Corning

近年来，增强现实、虚拟现实和混合现实（AR/VR/MR）技术领域一直蓬勃发展，越来越多的头戴式VR设备、智能眼镜和AR/MR工业设备系列已投入使用中。这类系统统称为“XR”。据预计，该市场到2025年将以46%的复合年增长率持续快速增长。¹

为了制造这类设备，工程师们应用了多种显示器类型，使用了一系列技术，并创建了广泛系列的光学系统。因此，XR设备在架构、外形和功能方面非常多样化，其设计旨在满足许多不同的应用目标。从广义上讲，“目前市面上有三种类别的头戴式显示器，包括：智能眼镜或数字眼镜（作为眼镜的延伸）；头戴式虚拟现实设备（作为游戏机的延伸）；以及增强现实和混合现实系统（作为计算机硬件的延伸）。”²

三种类型的头显（HMD）及其前身。（图片来源：Electro Optics）

举例来说，一副供消费者使用的AR智能眼镜可能会采用最小化的硬件尺寸和最轻的重量设计，通常使用较小型的显示器或光学模块，然而，这反过来又会限制显示器的视场（FOV）。另一方面，用于游戏用途的头戴式VR设备可能采用高分辨率和/或变焦显示器设计，以使视场最大化并提高可视化性能。专为军事用途而开发的头戴式MR设备可能旨在优化耐用性和功能，并与头盔式硬件整合在一起，以确保完全且安全地环绕用户头部。

然而，有些元件在几乎所有XR设备中都很常见，以使XR设备能够满足向穿戴者呈现数字图像这一基本用途。这类设备称为近眼设备（NED）或头戴式设备（HMD），其设计通常包括透镜、光引擎、显示装置、电源/电池、计算处理器和输入设备（比如：相机和传感器），但每个组件的设计细节可能因设备而存在较大差异。举例来说，AR/MR设备通常使用波导作为显示组合器，但可能采用几乎无限多种波导结构、配置和组合。

MR设备Magic Leap One的光学组件图示。（图片来源：IFIXIT）

除了核心功能元件外，此类设备还可能包含其他组件，比如麦克风和音频扬声器、控制按钮或触摸板以及USB端口。相机可用于设备输入，还可为用户提供拍照功能。此类设备可能内置多种类型的传感器，比如陀螺仪、磁强计、高度和湿度传感器、加速度计和近红外（NIR）3D感测发射器/接收器。

Vuzix Blade智能眼镜硬件组件（图片 © Vuzix）

AR/VR/MR设备组件

XR设备中包含许多硬件组件，每种组件都会带来不同的设计、质量和性能挑战，必须通过精心设计和严格测试来解决这些挑战。在本博客文章的余下部分，我们将介绍AR/MR智能眼镜的一些核心光学组件及其可能带来的视觉质量挑战。

微软的HoloLens 2 MR智能眼镜组件系列图示。（图片 © 微软公司来源）

计算机处理器

AR/MR设备被称为“可穿戴式计算机”，因此，毫不奇怪，中央处理单元（CPU）是非常重要的组件。计算机单元通常放置在其中一个眼镜腿中（指位于头部两侧的镜腿，在用户耳后弯曲，以将眼镜固定到位）。处理器尺寸必须十分微小，才能置入镜腿中。举例来说，Qualcomm的Snapdragon™ XR1平台使用与智能手机相同的Qualcomm Snapdragon芯片组。³

镜片

与普通眼镜一样，智能眼镜也需要镜片。当前市场上可见的许多AR/MR眼镜都可以配备定制镜片，以匹配佩戴者的特定需求，并提供蓝光过滤功能以供与电脑屏幕一起使用，或者包括可根据环境光条件调整色调以成为太阳镜的“智能镜片”。

雷朋 Stories智能太阳镜，与Facebook整合，提供不同的镜片颜色选择和度数选项。（图片 Ray Ban）

光学元件与显示器模块

在AR/MR设备中，图像生成单元（PGU）可能包括显示模块，该显示模块可以是由OLED、MicroLED或MicroOLED面板组成的显示器，也可以是使用激光器或LED/LCoS的投影系统。AR/MR设备还包含一个组合器，从字面上看，其将来自周围环境的光线与设备生成的数字图像组合起来，用于创建设备穿戴者看到的整合视图。

波导和光导

波导是AR/MR设备领域最常见的组合器。光波导由玻璃或塑料薄片制成，有助于将光线弯曲并进行传输。光波导通过全内反射（TIR）机制传播光场，在波导层的内外边缘之间反射光线，并将数字图像与现实世界图像合二为一。

波导层可以采用不同的几何结构，包括反射、偏振、衍射和全息结构。在这些情况下，有助于引导光线的物理特性可能是棱镜、反射镜阵列、光栅或超表面，它们具有一系列独特的形式。虽然组合器可以将光线和图像有效地导向至设备穿戴者的眼睛中，但也可能会引起非预期的效应，包括变暗、畸变、重影或衍射效应（比如色彩分离或模糊），并且组合器的可见边缘可能变得可见。⁴要避免这些光学缺陷，需要在设计阶段进行测试和调整。

Magic Leap 智能眼镜特写，其采用波导层堆叠设计（在镜片左中央的方形元件上可以看到轻微的条纹）。共有6个波导层——每个颜色通道（红色、绿色、蓝色）各两个。镜片右侧的两个电子元件是用于感测的近红外LED。（图片来源：IFixit）

XR设备视觉质量挑战

由于存在如此众多的组件结构，XR设备为设备设计人员和制造商们带来了一系列复杂的质量测试挑战。举例来说，“传感器的绝对数量以及与之相关的技术，加上低功耗运行和轻量化设计需求，这对设备制造商而言是一项持续的挑战”。⁵ 内置光学元件、光线和显示系统的复杂性导致设备制造商们必须进行复杂的视觉质量测试和测量。

XR设备中的各种光学组件，用于光线的成形、弯曲和传输，以创建图像。

由于AR/MR显示器是透明的，它们可能会呈现由于基板本身（比如玻璃或塑料）、镜片薄膜和层（比如防反射涂层或着色剂）而引起的问题，原因在于镜片的形状和曲率，或者基板层上元件的构建，比如用于实现光导的纳米结构。举例来说，图像可能会出现畸变或带有偏移阴影，称为“重影”。重影通常是由镜片前后表面上反射的图像引起的。采用多焦、变焦和中心凹光学设计的XR设备以及液态镜片光学元件等新方法只会增加视觉质量测量方案的复杂性。

请再次查看HoloLens 2设备组件，部分已拆解。

AR/MR图像还可能呈现亮度（照度）或色彩（色度）不一致、形状不完整或不正确、畸变、旋转以及与现实世界背景的对比度差等问题。要解决具有独特光学特性的XR设备涉及的所有这些质量问题，XR设备制造商将面临持续性挑战。为了测量和测试具有不同外形尺寸和规格（比如焦点、角度视场或分辨率）的XR设备，制造商们需要具备一系列视觉测试功能。

瑞淀提供有效的解决方案，可从用户眼睛在头戴式设备和智能眼镜内的观看位置对XR显示器进行测试和测量，以确保高质量的视觉体验。瑞淀的解决方案使用分辨率达到6100万像素的ProMetric^®成像亮度计和色度计，并在瑞淀的TT-ARVR 软件中对设备测试进行快速排序，以提供精确的高分辨率测量。

瑞淀提供多种XR光学测试系统（比如我们的AR/VR 镜头），可采集水平方向120˚视场范围的数据，用于评估较大的显示区域和完全沉浸式的视觉体验。瑞淀解决方案（如下图所示）可用于测试显示器模块、透镜和光导、近红外传感器和头戴式设备架构，确保显示器制造商们在XR设备的所有组件制造阶段具备灵活、端到端的视觉测试功能。