一、VRAR常用显示技术简介

显示引擎是任何HMD的显示架构的主要光学构件，但它不能单独起作用，需要与光学元器件组合到一起（自由曲面或光波导）以形成光学显示引擎，从而达到扩瞳等效果。

因此，显示引擎主要有3个作用：

1.产生所需的图像（通常是在角光谱中，即远场），

2.提供与光学元件的入射光瞳重叠的出射光瞳，

3. 适当调整出瞳的宽高比以达到扩瞳方案的要求，从而创建所需的眼镜盒尺寸。

因此，显示引擎的设计需要与光学元件的设计一起作为全局系统优化来完成，尤其是在使用波导方案时。

如果光学元件可以执行2D出射扩瞳，则显示引擎可以创建方形或圆形出瞳，如果光学元件仅沿一个方向扩展，则显示引擎可以创建矩形（或椭圆形）出瞳。 在某些情况下，光学显示引擎可能会在不同的颜色或场上创建各种空间复用的出瞳，以提供其他功能，例如多个焦平面（Magic Leap One中的两个平面）。

光学显示引擎通常围绕三个不同的部分构建：

1.光源（用于非发光显示面板），

2.显示面板（或微型显示器）或扫描仪，

3.中继光学器件（或成像光学器件）形成组合光学器件。

目前，VR和AR有两种类型的屏幕显示系统可用：直视形显示屏和微型显示。 前者多应用于智能手机（LTPS-LCD，IPS-LCD或AMOLED），尺寸范围为3.5–5.5”，分辨率范围为500–1500 PPI。微型显示面板，例如高温多晶硅LCD（HTPS-LCD）和基于硅背板的硅基液晶（LCoS），硅基AMOLED（μ-AMOLED）或微无机发光二极管（μLED）面板和数字光处理（DLP）MEMS面板尺寸为0.2-1.0英寸，分辨率为2000-5000 PPI。

使用外部光源（以及后置的背光或前置的前光源）的微型显示器已在智能眼镜和AR头戴式耳机中使用，例如HTPS-LCD（Google Glass V2），LCoS（Lumus，HoloLens V1，Magic Leap One）或DLP（Digilens，Avegant）。自发光微显示面板也得到了广泛使用，例如硅基OLED显示器（ODG R9，Zeiss Tooz智能眼镜）。更高亮度的μLED微型显示器无需提供笨重的光源系统即可提供与室外阳光竞争所需的亮度（百万尼特）和对比度，从而有望彻底改变AR光学引擎。值得注意的是，μLED微型显示器与其较大的同类产品非常不同，mini-LED直视显示面板（如电视面板），其LED尺寸仍然很大（100~1000微米）。但是μLED的小尺寸化还受到技术的限制，当尺寸减小到10微米以下（1200 PPI或更高）时，边缘重组效应会极大地降低效率，所以LED结构必须在三维中生长，如纳米棒或其他3D结构。而且目前μLED的巨量转移仍然是行业的技术瓶颈。图1展示了目前许多AR / VR产品中使用的其中一些面板。

图 1 目前 AR / VR产品中使用的各种显示面板

偏振和发射角也是微显示面板（自发光或非自发光）的重要特征，因为它们会直接影响图像的亮度以及所感知的眼盒尺寸。例如，基于LCoS和基于LCD的相位面板是偏振显示面板（因此需要单偏振光源），而LED，μ-OLED或DLP面板和MEMS扫描仪是非偏振显示器，因此可以使用所有偏振态的光源。使用单一偏振态（线性或圆形）并不一定意味着将光源亮度降低一半，因为已经有非常有效的偏振恢复方案，并且可以转换20％到30％的错误偏振态，从而将偏振效率提高到70- 80％（尤其是在微型投影仪照明引擎中使用的自由空间照明体系结构中）。

最后，在可穿戴显示器的应用上，微型显示面板的效率至关重要。彩色时序LCoS显示器的效率接近50％，而彩色滤光片LCoS显示器的效率仅约15％，而LTPS LCD微显示面板（Kopin）的效率通常只有3-4％。 DLP MEMS显示器是最高效的显示器，因此可以提供最高的亮度（如Digilens Moto-HUD HMD）。尽管彩色时序显示器比滤色器显示器效率更高。但前者在用户的头部快速移动时会产生color break现象。LCD和OLED面板通常用作真正的RGB彩色面板，而LCoS和DLP面板通常是按颜色时序显示的。

面板的响应时间也是一项重要参数，尤其是在需要以更高的刷新率驱动显示器以提供更多功能（例如在多焦平面显示器中）时。DLP是目前响应时间最快的显示器，因此可用于此类架构（例如Avegant Multifocus AR HMD）。

μLED由于其高亮度，高效率，高可靠性和小像素，所以硅基无机LED阵列（通常称为μLED微型显示器）引起了很多关注，首先是可穿戴显示器，例如智能手表（ 2014年被Apple收购LuxVue）或作为AR设备的显示选择（2015年InfiniLed被Facebook / Oculus收购，2016年Google对Glo Inc.的1500万美元投资以及2019年投资Mojo-Vision，英特尔于2017年话费45亿美元对Aledia SaRL的投资）。由于LED材料（AlGaN / InGaN / GaN）与Si之间的晶格不匹配，因此必须在传统的蓝宝石衬底上生长LED，然后将其切成小块，然后“拾取并放置”在最终的Si基板（或玻璃基板）上。尽管μLED Si背板可能与LCoS Si背板相似，但转移工艺通常是μLED微型显示器的瓶颈过程，这非常耗时且容易出现良率问题。但是，μLED初创公司最近开发了有趣的新颖转移技术来缓解这一问题。

μLED微型显示器的技术路线图显示了三代连续的架构，每一代都比上一代更高效，因此亮度更高：

-第一代，在Si背板上具有荧光粉层和滤色器像素的UV μLED阵列，

-第二代，在Si背板上具有荧光粉层和量子点颜色转换像素的UV μLED阵列，

-第三代，直接将RGB μLED在Si背板上生长。

其实μLED阵列也可以在透明的LTPS玻璃基板（如Glo，Lumiode，Plessey）上拾取和放置。但多家公司（例如Aledia，Plessey等）仍一直在追求在Si底板上直接生长LED。

从目前的行业情况来看，值得注意的是传统的μ-OLED已经转向专门针对AR应用进行研发与定制化生产，例如双向的OLED面板（在同一阵列中集成了RGB显示像素和IR传感器像素）和超低功耗， Fraunhofer Institute（Dresden, Germany）生产的单色OLED面板。双向OLED面板对于AR显示，轴上眼动追踪应用和其他双重成像/显示应用而言非常有效。高达3147 PPI的μOLED面板已用于小尺寸VR/AR面板中，例如Luci（Santa Clara，CA，2019）、Nreal等。BOE 也于2020年推出了超过5000ppi的μOLED产品。

高端AR，VR和MR头显需要提高角度分辨率以匹配人眼的敏锐度。光学偏移可以在不增加显示面板像素的数量的情况下，极大地增加中央凹入区域的角分辨率。

已用于是DLP显示引擎的另一种技术是wobulation技术（由TI在90年代中期推出并蓬勃发展的DLP显示技术）。这种技术同时增加了显示器的刷新速率并稍稍改变的角度显示旨在显示像素之间的像素（特别适用于沉浸式显示配置）。

最初的wobulation技术使用旋转的楔形物或玻璃来产生轻微的角度偏移，并与显示刷新率同步。在此之后，各种其他的机械技术已被使用，而最近，非移动固态wobulation技术已被引入，如LC wobulators（如在可调谐液体棱镜），可切换PDLC棱镜，切换窗口斜面（Optotune AG） ，甚至是相控阵颤动器。

另一种有趣的wobulation技术可切换LED，不需要任何可调元件，仅需要多重光源（LED或激光器），如图2所示（一种非常紧凑的光学摆动器架构）。

尽管机械移动和可操纵wobulation技术可以作用于任何类型的显示器（前提是它们的刷新率足够高），但光源开关wobulation技术仅限于非发光显示器，例如DLP，HTPS，LCD和LCoS显示器。

光学wobulation技术可以有效地增加角分辨率（PPD），而无需增加显示面板中的像素数量。但是，该技术仅限于具有潜在高刷新率的显示架构，例如DLP和快速LCoS显示器。

另一种非常紧凑的摆动技术将在单个DLP阵列中使用多个反射镜，但这大大增加了设计和制造MEMS DLP阵列的难度。这将产生最紧凑的光学wobulation架构。

 图2 使用机械运动或多重光源的光学摆动。

光学foveation和光学wobulation既可以合成增加像素的数目，，从而为观看者提供高分辨率的感知，而无需增加显示器中像素的物理数量。然而，光学wobulation不一定是光学foveation的一种形式。如果wobulation是注视点局部控制，并且可以操纵覆盖沉浸式FOV中较大部分的像素，则它可以演变为光学foveation架构。

如今，扫描显示引擎已在各种HMD系统中应用。这种系统的主要优点是体积小（由于没有显示面板中的物平面，因此不受光学扩展量定律的明确限制），激光光源的高亮度和高效率，高对比度以及“实时”光学foveation，由于可以在像素空间中以任何自定义方式打开像素，因此可以使用注视点跟踪对其进行重新配置。

早期的VR和AR系统使用了微型阴极射线管（CRT）显示技术（从技术上讲也是扫描仪）（例如Sword of Damocles，1968）。它们仍以单色模式用于某些高端军用AR头盔（用于Apache AH-64E直升机飞行员头盔的集成头盔和显示瞄准系统（IHADSS）），具有独特的亮度和对比度。图3总结了到目前为止已研究的各种扫描显示技术。

图3 单个2D或双1D MEMS镜面扫描器的各种NTE图像扫描显示实现

其他扫描显示技术，例如光纤扫描仪，集成电光扫描仪，声光调制器（AOM），相控阵波束导向器和表面声波（SAW）扫描器。图6描绘了一些这样的扫描器，如最终产品（一维/ 2D

 MEMS扫描器）和R＆D原型（光纤扫描器和SAW扫描器）。大多数基于扫描仪的光学引擎缺少出瞳大小（眼盒尺寸），因此需要复杂的光学体系结构才能将出瞳扩展/复制或引导到用户的眼睛。

图4产品和原型中使用的某些激光扫描仪实施方案。

基于激光的相位面板显示引擎（即动态全息投影仪）由于亮度高（光通过衍射重定向而不是像传统面板那样被吸收），最近已通过汽车HUD进入市场。

它们最近还被用于设计有趣的HMD架构原型，这些原型可以提供每像素深度显示，从而有效地解决了VAC。相面板可以来自LCoS平台（HoloEye，Jasper，Himax， 等）到MEMS支柱平台（Ti）。

合成全息图通常称为计算机生成的全息图（CGH）。静态CGH已被设计并用于多种应用数十年，例如用于深度相机的结构光源（Kinect 360（2009）和iPhone X（2018））或工程漫射器；自定义图案投影仪，如“虚拟键盘”界面投影仪（Canesta 2002和Celluon 2006）；或作为更简单的激光笔图案投影仪。实施的动态CGH仍在研发中，对AR / VR / MR显示器具有广阔的前景。

从远场2D显示器（傅立叶型CGH）到近场2D或3D显示器（菲涅耳型CGH），衍射相位面板均可在多种模式下运行。诸如迭代傅里叶变换算法（IFTA）之类的迭代算法可用于计算傅里叶或菲涅耳型全息图。但是，由于CGH迭代优化的明显耗时的方面，因此首选直接计算方法，例如从表示要显示的3D对象的3D像素配置中的所有像素发出的球面波前的相位叠加。

图5显示了HoloEye（德国）的一些流行的衍射相位面板和VividQ（英国）的原型头显，以及典型的菲涅尔CGH模式和3D重建，显示了图像的不同深度，从而解决了VAC。

图5衍射相面板和HMD操作。

由于CGH图案的实时计算中存在部分未解决的挑战（即使采用非迭代方式），激光散斑减少，出射光瞳较小以及缺乏可用的低成本/高质量相面板， 今天，HMD产品的实施受到限制。 但是，基于相位面板的动态全息显示器仍然是未来的小尺寸，高FOV，高亮度和真正的每像素深度HMD的理想建筑选择。

二、VRAR中与显示技术相关的常见问题

1. 纱窗效应

如果显示系统的MTF能够很好地解析像素，尤其是在基于面板的VR系统中，则用户可能会看到像素交错，这会产生寄生的和令人讨厌的“纱窗效应”。可以通过减小像素间距（OLED面板的像素间隙小于LCD面板的像素间隙）或通过有意地降低系统的MTF来消除差距（在影响显示效果和质量的情况下很难做到这一点）。

可以通过调整VR系统中的准直透镜的MTF或AR系统中的显示引擎的MTF来降低纱窗效应（请参见图6）。 尽管物理显示像素仍然显示出纱窗，通过高质量镜头（MTF＃1）产生的虚拟图像也将显示，但具有减小的MTF（MTF＃2）的成像系统可以在角度空间中平滑虚拟图像。光学元件则无法进一步解决像素间隔问题。

图6调整光学器件的MTF以使纱窗效果平滑。

2. 锯齿效应

直视显示器和微型显示器面板通常由排列成网格的像素制成。在显示对角线或曲线时，实际上是必须绘制一条带有沿网格放置的正方形块的曲线，从而产生锯齿。除直线以外的任何其他东西自然都会显示出像素和像素网格的基本形状。增加像素密度可以减少锯齿。抗锯齿渲染还可以通过使用沿着线条边缘的不同颜色的像素来创建更平滑的线条，从而减少感知的锯齿。锯齿（例如，可能提示快速移动的像素配置的快速变化）在沉浸式显示器的外围区域中特别令人讨厌，因为人类对外围的运动特别敏感。

3. 运动模糊

运动模糊也不利于高分辨率的虚拟图像感知。90 Hz的刷新率和3–6ms之间的非常快的响应时间将大大减少运动模糊。

4. Mura效应

Mura效应或“混浊”是通常用于描述显示不均匀的术语，该显示不均匀是由屏幕的光源不完善或屏幕的不均匀引起的。这些效果可能会在较暗或较亮，对比度较差或仅偏离总体图像的区域或单个像素中显现出来。通常，这些效果在低灰阶时特别明显。一般来说，Mura效应是当前LCD显示面板的基本设计特征。Mura效果同样可以在基于OLED面板的显示器中体现出来。VR中的沉浸式显示可增强对Mura效果的感知。在AR头显中，感知到的Mura效果比VR系统要轻微得多，因为随着头部在场景中移动，透明的背景颜色和均匀性会不断变化。图7展示了上述的由显示技术自身带来的各种影响。

图7 沙窗效应，Mura效果，显示锯齿和运动模糊

直视式或微型显示面板的由于显示技术本身所带来的影响还有crepuscular rays。crepuscular rays有的是光的条纹，导致该现象的原因有很多种，例如扩散，衍射，甚至菲涅耳透镜环。VR系统中，在暗场的明亮白色文本，这种现象更加明显。

人眼具有非常高的视觉敏锐度，可以分辨远低于最小弧度尺度的特征，至少能分辨利用当今的有限像素密度显示技术的显示引擎所能提供的一切图像。因此，对显示引擎的MTF进行操作可以提供一种在沉浸式空间中平滑纱窗效果的好方法。然而，有效地调整投影光学器件的MTF以便在像素周期内保持良好的MTF的同时省略较小的特征并不容易。

三、总结

综上，本文介绍了目前常见的几种用于VRAR头显的显示技术，其中VR头显目前还是以LTPS-LCD为主流，PPI将超过1500PPI，但是随着对轻薄化和大视场角的追求，μOLED或柔性OLED将逐渐被使用；而AR方面，LCoS和硅基OLED是目前市面主流AR光机； LCoS适用波导和棱镜光学方案，工艺成熟、价格合理，目前市占率较高；硅基OLED亮度相对较低适用无需扩瞳的光学方案，且年复合增长率最高；LBS应用于Hololens2光波导方案，画面显示质量不高；Micro-LED为业内最看好的AR光机技术，未来可期。

附件1. ：AR显示器件汇总

LCoS和硅基OLED是目前市面主流AR光机； LCoS适用波导和棱镜光学方案，工艺成熟、价格合理，目前市占率较高；硅基OLED亮度相对较低适用无需扩瞳的光学方案，且年复合增长率最高；LBS应用于Hololens2光波导方案，画面显示质量不高；Micro-LED为业内最看好的AR光机技术，未来可期。

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