1、液晶光子学第7章增强现实显示技术及液晶器件的应用7.1人眼视觉因素7.2增强现实技术及产品7.3头戴式增强现实显示系统7.4基于液晶器件的AR应用of392习题7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of393眼睛是人类的视觉器官，人类对外界超过80%的感知信息都是通过眼睛获得的。人眼是一套由角膜、晶状体、玻璃体及视网膜等组成的完整的视觉感知系统。1人眼视觉模型1.屈光度：眼睛折射光线的作用称为屈光。在光学中，通常用屈光度或焦度来度量光学系统的屈光能力，用 表示，为焦距的倒数，单位为D（1D=1m-1）。2.瞳孔：是动物或人眼睛内虹膜中心的小圆孔，为光线进入眼睛的通道。其附
2、近肌肉可调节瞳孔的大小。一般人的瞳孔直径大小在1.58mm之间变动，人眼平均的瞳孔大小约为3mm。明适应：当人从暗环境进入明亮环境时，瞳孔会迅速变小，减少光通量，不至于因光线太强而灼伤眼睛。暗适应：从明亮环境进入暗环境时，瞳孔会变大，以增加光通量，看清楚黑暗物体7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3941人眼视觉模型3.分辨率：人眼的分辨率是角分辨率。当空间中两个点对人眼所成的张角小于人眼的分辨率时，人眼将无法对这两个点进行区分。人眼角分辨率 的计算需遵循瑞利判据，=1.22/D，其中为光波长，D 为瞳孔直径。4.视觉暂留：当人眼所看到的影像消失后，人眼仍能继续保留
3、图像0.10.4s。这种残留的图像称“后像”，而这一现象则被称为“视觉暂留”。一般来说当每秒有24 幅或更多的图片进行更替变换时，人眼就会看到一个连续的画面，这也是视频播放的原理。视频播放的最低刷新速度为24Hz。对于显示器件，一般要求其刷新率达到60Hz，画面才不会有明显的闪烁感。5.视场角：视场角是指人眼能够观看到的最大的视野范围。人类单眼视场角通常在水平方向上有150160，在竖直方向上有120130。双眼视场角在水平方向可以达到200210；当眼球移动时，水平方向的视场角可以扩大到290。7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3952深度暗示人眼双目视觉系统对
4、不同深度的物体可产生不同立体视觉感受，产生这些立体视觉感受的因素称为深度暗示。深度暗示分为生理深度暗示和心理深度暗示。生理深度暗示1.调焦：调焦是指当物体处于不同距离时，睫状肌需要对晶状体的形状进行调节，改变眼睛的屈光度，从而在视网膜上获得清晰的成像，如图所示；反之，人们也可以从睫状肌的收缩或放松程度来反推三维物体的深度。7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of396生理深度暗示2.辐辏：观看三维空间中的一点时，双目的视轴会交会于该点，形成辐辏角。看向近处物体时，眼球会朝内侧转动，使辐辏角变大；反之，看向远处物体时，辐辏角会变小，如图所示。辐辏角的大小与人眼观看距离近似
5、成反比，因此，根据视轴辐辏角的大小，大脑可以反推出物体的深度信息，这种生理深度暗示称为辐辏。3.移动视差：当观察者相对于三维物体的位置发生移动时，观察得到的图像也会发生变化，距离越近的物体移动得越快，越远的物体移动得越慢。这种深度感知要素称为移动视差。7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of397生理深度暗示4.双目视差：由于两眼之间存在一定的间距（瞳孔间距，约为6.5cm），在观察某个三维物体时，左、右眼与该物体的相对位置不一样，观察得到的图像也存在差异。左眼看到左边的部分多一些，右眼看到的右边部分多一些，因此，左、右眼视网膜感受到不同的刺激，形成视觉上的差异，即双目
6、视差。心理深度暗示1.线性透视：景物随着距离的变大而在视野中显得越来越小。就好像道路在远处在视野中会逐渐成缩小成一点。如图7.3所示，利用线性透视，人们可以明确地分辨出远近信息。7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of398心理深度暗示2.遮挡：遮挡是指前面（距离较近）的不透明物体会遮住后面（距离较远）的物体的某一部分。人们会根据遮挡与被遮挡的关系，可以自然而然地判断出物体的远近关系：没有被遮挡的物体在前面而被遮挡的物体在后面。如图 所示，一个圆柱体和一个长方体，其大小和在图像中位置都没有发生变化，只是改变物体的遮挡关系，我们可以轻易地辨别出远近关系。3.阴影：阴影的出
7、现会影响人们对物体三维信息的判断。如左图所示，阴影可以帮助人们判断物体的凹凸，亮的部分为光线照亮的部分，而暗的部分则是背着光线的部分，看到这样的图片，人们会自然而然地在心里产生空间层次感。4.纹理：纹理指的是物体表面一个小范围的纹理结构能够显出物体的三维形状及其与观看者的距离。5.先前认知：人们在长期认识世界的过程中，会形成自己的认知，根据熟悉的物体与光线的相互作用及物体的运动方式，可以想象和推断它们的三维形状和距离。7.1 人眼视觉因素第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of399调焦-辐辏的矛盾（Accommodation-vergence conflict）存在于目前大多数三维显示产
8、品中。在长期观看后用户容易产生头晕、恶心等不适感，因此被认为是一种伪三维显示技术。3.调焦-辐凑矛盾7.1人眼视觉因素7.2增强现实技术及产品7.3头戴式增强现实显示系统7.4基于液晶器件的AR应用全国高校标准教材云计算姊妹篇，剖析大数据核心技术和实战应用of3910习题第7章增强现实显示技术及液晶器件的应用7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3911LCD、OLED、LED、电子纸等，在尺寸、分辨率、色彩和对比度等方面都已取得了巨大的进步。近年来VR和AR技术，在全球范围内掀起了一股热潮。2.虚拟现实技术虚拟现实（virtual reality，VR）技术是
9、一种通过计算机产生虚拟背景或环境，在一定范围内创造一个与真实环境在视、听、触感等方面高度相似的数字化虚拟世界的技术。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39123I 特征沉浸感Immersion交互性Interactivity构想性Imagination沉浸感又称临场感，是指用户通过虚拟设备如头戴式显示设备和感知系统，沉浸于虚拟场景的感知程度。交互性是指用户进入虚拟环境之后，可以用自然的方式对虚拟环境中的物体进行操作，并且得到反馈，同时保证操作的实时性和有效性。构想性指的是虚拟的环境可提供广阔的想象空间，拓宽人类的认知范围，其不仅可以再现一些日常的场景，还可以
10、呈现出一些未知世界或者人类无法体验的场景。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39132.增强现实技术增强现实技术是在虚拟现实基础上发展起来的技术。在增强现实系统中，计算机对用户直接观察到的真实信息进行分析和处理，将生成的虚拟信息正确地叠加到真实场景中，从而使虚拟信息与真实世界无缝融合在一起，使用户与虚拟物体进行交互提高体验的真实感，并辅助用户认知现实世界。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39143个主要特征实时交互虚实融合三维注册时交互是指用户与真实世界和虚拟信息间的自然交互。相比于虚拟现实，交互对象则不再限制于虚拟世界
11、，还包括现实世界中的物体。虚实融合指的是通过把计算机产生的虚拟信息叠加到真实的环境中，从而实现对现实世界的增强。三维注册技术是增强现实系统关键技术之一。注册就是将计算机生成的虚拟物体信息和真实场景的景物“精准对齐”。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3915时交互增强现实技术的应用7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39163.增强现实主要产品Google glassGoogle Glass是谷歌于2012年发布的一款具有增强现实功能的单目智能眼镜，它可以像智能手机一样，实现视频通话、拍照、听音乐、观看视频等功能。眼镜前方的
12、分光镜，可以将硅基液晶微显示屏投影的图像反射成像到人眼视网膜上，同时让外界环境光线透过进入人眼，从而实现增强现实显示的功能。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3917ODG 眼镜ODG 眼镜没有将处理器和电池集成到一侧，而是在镜片上方中间位置集成了处理器、存储器和摄像头，两侧的空间则留给大容量电池。两个1080P 的OLED 微显示屏幕为用户提供色彩炫丽的3D 立体画面。相比于Google Glass，在视角方面，ODG 眼镜的表现也更为出色，ODG R9 眼镜有50的视角。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3918Met
13、aMeta是一家可穿戴设备公司，主要专注于可穿戴计算和增强现实技术领域，总部位于美国加利福尼亚州的Portola Valley。Meta2 智能眼镜采用较大尺寸的LCD 显示屏提供图像源，可以实现接近90的大视角，同时提供单眼12801440 分辨率的画面显示。7.2 头戴式增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3919Hololens微软Hololen是由微软公司2015年发布的，随后这款产品成为世界瞩目的焦点。在3D显示方法上，此款产品依然采用的是双目视差3D显示技术，即通过左右眼显示不同的视差图像来实现3D显示，而非全息显示方法。美中不足的是Hololens的视角
14、较小，只有30左右，稍微转动头，虚拟物体就会移出视角范围，影响了真实性感受。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39203.AR 眼镜三维成像机理目前大部分VR/AR 产品一般采用双目视差式的三维显示方法。双目视差式显示方法简单，很容易实现连续、大深度范围的三维显示，但其本质上不符合人眼观看真实世界三维物体的特性，用户长时间观看后容易产生视觉疲劳，甚至产生头晕、恶心的症状。7.1人眼视觉因素7.3头戴式增强现实显示系统7.2 增强现实技术及产品7.4基于液晶器件的AR应用全国高校标准教材云计算姊妹篇，剖析大数据核心技术和实战应用of3921习题第7章增强现实显
15、示技术及液晶器件的应用7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3922VR 简化结构HMD 一般由图像源、光学成像系统、电路控制系统及其他组装附件组成。虚拟现实显示设备主要由一个微显示屏和一个等效接目透镜组成。微显示屏位于接目镜的焦面上或者一倍焦距以内，形成一个放大的虚像。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3923AR 简化结构增强现实显示设备除了微显示屏、接目镜，还有一个融合器（如分光镜）。融合器的主要作用是把微显示屏显示的虚拟画面导入人眼，同时又允许外部的光线透射进入人眼。7.2 增强现实技术及产品第7章 增强现实显
16、示技术及液晶器件的应用of39241.头戴式显示系统参数（1）分辨率。分辨率是指显示器所能显示的像素个数。显示器可显示的像素越多，画面就越精细，相同区域内能显示的信息也越多。对于增强现实而言，分辨率主要取决于所采用的图像源的分辨率。（2）视场角。视场角 是增强现实系统一个重要参数，是指画面对人眼的张角，单位为（）。由于增强现实既要显示虚拟画面，又要允许用户看到现实世界，所以增强现实系统中有虚拟画面视场角和真实世界视场角两个参数。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3925VR/AR 简化结构（4）出瞳。出瞳是光学系统中孔径光阑在光学系统像空间所成的像，而入
17、瞳是孔径光阑在物空间的像。增强现实系统的出瞳位置应该与人眼瞳孔的入瞳重合。（5）出瞳距离。出瞳距离是指能看清整个视场时眼睛离开光学系统最后一个面中心的距离。（6）Eye box。Eye box 指能够看到完整图像时眼睛移动的范围。为实现较好的画面显示，eye box 大小应该能够覆盖人眼瞳孔。（7）Eye clearance。Eye clearance 指的是人眼离头戴式显示系统（任意部位）的最近距离。17mm 是允许用户能够佩戴头戴式显示器的最小距离，而20mm 的距离则被认为是一较合适的距离。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39262.增强现实图像
18、源微显示器根据制造工艺和材料不同，主要包括透射式液晶显示（LCD）、有机电致发光显示（OLED）、硅基液晶（LCoS）、硅基铁电液晶（FLCoS）和数字微反射镜（DMD）器件。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39273.接目光学系统在头戴式增强现实显示中，接目光学系统包括接目镜和融合器。（1）自由曲面棱镜接目光学系统。自由曲面棱镜接目光学系统的结构如图所示。光学系统表面为经过特殊设计的弧形结构。微显示器的光线从自由曲面顶部端面S4 入射后在下一个玻璃-空气界面S2 发生全反射，然后在曲面分光镜S3（镀金属分光镜）处反射，再穿过S2 进入人眼。7.3 头
19、戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3928（2）全息波导接目镜光学系统。如图7.23 所示为一全息波导接目镜光学系统。微显示屏放在准直透镜的前焦面上，形成平行光束进入波导，遭遇输入耦合全息光栅以后，光线发生衍射，以较大入射角射入玻璃-空气界面，满足全反射条件而在波导中传播，直到遇到输出耦合全息光栅，再次发生衍射，因衍射光线入射角变小，不再满足全反射条件，而从波导中出射，进入人眼。由于全息光栅的波长选择性，这里分别用三对光栅来实现红、绿、蓝三色的输入和输出耦合，从而生成彩色图像。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39294.问
20、题与挑战（2）亮度。由于室内环境和室外环境的光亮度存在较大差别，室内的光强亮度约为500cd/m2，而室外的亮度一般在1 000cd/m2 以上。对于现在的AR 显示，由于光源亮度和光能利用率等问题，一般只适合在室内观看，在强光的室外却很难看清画面，这也是目前限制增强现实发展的一个重要因素。（3）角分辨率与视场角的矛盾。（4）调焦-辐辏的矛盾。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39305.无视觉疲劳增强现实三维显示方法1基于集成成像的增强现实解决了传统三维显示中的调焦和辐辏之间的矛盾。重建的三维光场信息再通过自由曲面的折射和反射作用，将微小的三维图像在人
21、眼前生成一个放大的虚像。缺点：分辨率低。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39312基于全息的增强现实显示基于全息的增强现实头戴式显示，一般用空间光调制器生成较小的三维物体，经光学系统放大后，以虚像的形式成像在人眼前。缺点：计算量大、受限于空间光调制设备分辨率和尺寸。7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39323基于体三维的增强现实显示（1）基于可调液体透镜的多层头戴式AR 显示。通过对液体透镜施加电压，来改变液体透镜的焦距，将微显示屏上的图像成像在不同位置，通过曲面反射镜的光路传递，透过分光棱镜，形成放大的虚像。通
22、过时序控制加在液体透镜上的电压和微显示屏上的图像，可以准确地将三维图像的切片投影到准确的深度，利用人眼视觉暂留效应，在人眼前重建一个三维场景。缺点：由于受到微显示屏刷新频率和液体透镜响应时间的限制，该方案能够实现的图像显示层数有限，图像刷新率也不高。a）聚焦于虚拟物体（b）聚焦于最远的真实物7.3 头戴式增强现实显示系统第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39333基于体三维的增强现实显示（1）基于可调反射镜的多层头戴式AR 显示。利用一个快速可调反射镜来替代液体透镜，图像源也采用有更快刷新率的DMD。通过施加不同电压改变球面反射镜的焦距，进而在不同的深度成像。缺点：要求DMMD 具有
23、较大的形变，此时施加的电压高达210V。7.1人眼视觉因素7.4基于液晶器件的AR应用7.3头戴式增强现实显示系统7.2增强现实技术及产品全国高校标准教材云计算姊妹篇，剖析大数据核心技术和实战应用of3934习题第7章增强现实显示技术及液晶器件的应用7.4 基于液晶器件的AR 应用第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39351.基于液晶透镜液晶透镜有很多种，比较常见的是多电极液晶透镜，其结构如图 所示。主要结构包括基板、公共电极、取向层、液晶和多个驱动电极。当各驱动电极上施加不同电压时，不同区域的电场强度变化，导致液晶分子呈渐变分布，折射率和相位也形成类似透镜形状的分布，实现聚焦功能。
24、液晶透镜口径较小，一般为几毫米，并且有偏振选择性。7.4 基于液晶器件的AR 应用第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3936双层液晶透镜结构（a）液晶透镜表现为凸透镜时成虚像在较远处 （b）液晶透镜表现为凹透镜时成实像在眼镜附近通过改变液晶透镜的焦距，使微显示屏投射的图像显示在不同的深度位置，并通过分光镜投射入人眼，使用户既能观看到现实世界的物体又能观看到虚拟的画面。7.4 基于液晶器件的AR 应用第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39372.基于聚合物稳定液晶散射片正型聚合物稳定液晶的基本原理:在未施加电压时，液晶分子由于聚合物网络的束缚杂乱地分布，样品内部的折射率也处于
25、杂乱分布的状态。因此，入射光被散射，但液晶膜片在宏观上表现为如毛玻璃一般的模糊状态。当对聚合物稳定液晶片施加电压时，正型液晶分子受到电场的作用向与电场平行的方向转动，液晶分子的寻常折射率no 与聚合物的折射率相匹配.。此时，整个样品对垂直入射的光表现出相同的折射率，液晶膜片表现为透明的透过状态聚合物稳定液晶往往需要较大的电压。（a）施加电压时的液晶分布 （b）未施加电压时的液晶分布7.4 基于液晶器件的AR 应用第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of3938通过施加电压时序地控制多层液晶膜片的开关状态，将三维物体的切片投影在液晶膜片上。通过控制液晶膜片的开关状态和投影图片的时序，使每个瞬
26、间只有一个液晶膜片处于模糊状态而其他液晶膜片处于透过状态。这样便在液晶膜片组上形成了一幅三维物体画面。7.4 基于液晶器件的AR 应用第7章 增强现实显示技术及液晶器件的应用of39393.基于液晶偏振旋转器用一片90扭曲的Twisted Nematic（TN）液晶片作为偏振旋转器，通过电压的施加或撤除可以将入射线偏振光的偏振方向旋转90或保持不变，从而使光线以s 光或者p 光的形式入射到偏振分光棱镜。s 光和p 光在系统中形成两个不同光程的光路，经透镜L2 成像后，生成两个不同深度的图像。1简述虚拟现实的三个特性。2简述虚拟现实和增强现实的区别。3视差式三维显示技术的原理是什么？4人眼生理深度暗示的要素包括哪些内容？5人眼心理深度暗示的要素包括哪些内容？习题：
