顯示分辨率描述了可以顯示多少不同的像素。這是一個(gè)有著眾多文章介紹的屬性之一。顯示分辨率的最終目標(biāo)是達(dá)到人類視覺極限或略微超過大約一弧分（1/60度）。

由于市場(chǎng)對(duì)提升規(guī)格的需求，今天大多數(shù)智能手機(jī)的分辨率遠(yuǎn)高于人眼在正常情況所能感知的分辨率。例如在40厘米遠(yuǎn)查看顯示屏尺寸為14厘米的智能手機(jī)，這意味著手機(jī)屏幕在人眼視場(chǎng)范圍內(nèi)大約為20度，所以長邊不需要超過1200像素。但是，今天依然有一系列的智能手機(jī)的顯示分辨率要比這個(gè)數(shù)字高出50%。

視場(chǎng)為30度×20度的AR顯示器大約需要1800×1200像素。但今天的VR顯示器位于90度×60度的范圍內(nèi)，所以實(shí)現(xiàn)人眼極限需要5400×3600像素。這意味著每秒生成和顯示大約20萬像素75次，或每秒15億像素……

對(duì)于智能手機(jī)，用戶直接看著屏幕（忽略手機(jī)膜）。所以沒有光學(xué)元件會(huì)以負(fù)面方式影響顯示面板提供的像素質(zhì)量。對(duì)于AR和VR設(shè)備，盡管復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)是位于用戶眼睛和顯示面板之間，但它們會(huì)嚴(yán)重降低圖像質(zhì)量。感知分辨率（到達(dá)眼睛的分辨率）可以顯著低于顯示面板分辨率。正如Karl Guttag所說，MagicLeap One的有效分辨率僅為其面板分辨率的一半。類似地，Hololens顯示器在從LCOS到眼睛的光路中損失了大量的分辨率。

所以，只要光學(xué)系統(tǒng)是顯示面板的限制因素，分辨率通常沒有什么意義。

2.7 真實(shí)世界畸變

對(duì)于光學(xué)透視顯示器，用戶是通過顯示器的光學(xué)元件感知現(xiàn)實(shí)世界。在大多數(shù)AR設(shè)備中，所述元件構(gòu)成了下面的子集：

顯示視覺增強(qiáng)所需的虛擬圖像的波導(dǎo)，如HoloLens。

或者將投影圖像反射到眼睛的自由形式組合器，如Meta2。

設(shè)備外部的面罩用于保護(hù)電子元件和光學(xué)元件。

將虛擬圖像焦平面從無限遠(yuǎn)移動(dòng)到更為可行位置的推/拉透鏡，如2米（如DAQRI Smart Glasses的反射波導(dǎo)）。

在一側(cè)或兩側(cè)保護(hù)脆弱波導(dǎo)的附加塑料，如Hololens。

其中一些元件具有額外的，不受待見的光學(xué)屬性。例如，波導(dǎo)以將光線彎曲（引導(dǎo)）到正確的方向，但它同時(shí)會(huì)影響真實(shí)世界的光線，而理想情況下光線不應(yīng)該受到影響。類似地，面罩或推/拉透鏡的設(shè)計(jì)或由于有限的質(zhì)量而使光線變形。

當(dāng)然，大家都希望能夠盡可能少地扭曲現(xiàn)實(shí)世界視點(diǎn)，但在實(shí)踐中，限制重量和成本的愿望需要可能會(huì)產(chǎn)生明顯偽影的妥協(xié)。

2.8 虛擬圖像畸變

光學(xué)工程師旨在設(shè)計(jì)一種有著最大可能圖像質(zhì)量的光學(xué)路徑，而這同時(shí)包括最小化畸變：在完美的示例中，顯示面板的矩形像素網(wǎng)格將顯示為等量矩形像素網(wǎng)格。在諸如看著矩形智能手機(jī)這樣的直接視圖場(chǎng)景中，這一點(diǎn)很少有納入考慮。在諸如AR顯示器這樣的復(fù)雜光學(xué)設(shè)置中，為了優(yōu)化其他參數(shù)，圖像畸變通常成為需要忍住的要素。

幸運(yùn)的是，與現(xiàn)實(shí)世界畸變相比，只要顯示器合理校準(zhǔn)（畸變很大程度上是取決于視圖），虛擬內(nèi)容的畸變可以有效地進(jìn)行解決。通過恰當(dāng)?shù)男?zhǔn)，所述畸變可以作為渲染管道的一部分進(jìn)行處理，而處理成本很低或者為零。不過，取決于系統(tǒng)的光學(xué)畸變量，這可以帶來顯著的偽影，比方說特定區(qū)域的顯示分辨率出現(xiàn)大幅降低。

通常來說，波導(dǎo)的畸變相當(dāng)?shù)停@樣至少消費(fèi)者用例可能會(huì)予以忽略（沒有通過數(shù)字方式進(jìn)行校準(zhǔn)和校正）。自由空間組合器（和VR顯示器一樣）通常會(huì)生成需要進(jìn)行恰當(dāng)處理的嚴(yán)重畸變。由于畸變圖像非常不規(guī)則，所以顯示面板的有效區(qū)域可能同樣會(huì)減少。下圖是自由空間設(shè)計(jì)的示例性畸變網(wǎng)格?？梢宰⒁獾?，網(wǎng)格的一部分落在顯示面板之外，并且用戶不能觀察到顯示面板的一部分（沒有網(wǎng)格的黑色區(qū)域）。下圖同時(shí)說明了頂部和底部之間的分辨率差異。

自由空間組合器的示例性失真。圖片是沿到顯示面板的光路追蹤矩形網(wǎng)格圖像生成

2.9 人眼安全

在談?wù)揂R顯示器時(shí)，兩種類型的人眼安全十分重要：確保眼睛不受AR顯示器的影響；確保AR顯示器保護(hù)眼睛免受外部傷害。

確保眼睛不受AR顯示器傷害聽起來像是不費(fèi)吹灰之力。顯然，任何產(chǎn)品都必須滿足這個(gè)要求。但對(duì)于距離最脆弱的人體器官僅幾厘米的近眼顯示器而言，我們必須特別小心。這變得尤為重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)AR顯示器是將玻璃元件作為光學(xué)堆疊的一部分。在發(fā)生撞擊時(shí)，玻璃元件可能會(huì)破碎并傷害用戶。所以，我們需要將所有玻璃元件整合至不易破碎的護(hù)蓋之中。

盡管這聽起來十分明顯，但事實(shí)并非總是如此。例如，最近發(fā)布的聯(lián)想ThinkReality就把反射性波導(dǎo)波導(dǎo)直接放在用戶眼睛前面，沒有任何護(hù)蓋。由于這種波導(dǎo)是由眾多以水平條紋粘在一起的小玻璃元件構(gòu)成，所以它們很容易損壞并對(duì)用戶造成傷害。

保護(hù)眼睛免受外界傷害通常只商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中的要求。對(duì)于所述領(lǐng)域，諸如ANSI Z87.1之類的眼睛保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)描規(guī)定了評(píng)為安全眼鏡所需承受的力類型。

2.10 適眼距

與視窗相同，適眼距沒有通用的定義。簡單來說，它是指瞳孔到AR顯示器最近點(diǎn)的支持距離。由于并非所有用戶都具有相同的頭形，所以在實(shí)踐中需要支持一定范圍的適眼距，從而限定視窗的厚度（沿著觀察方向）。

適眼距是瞳孔到光學(xué)表面最近點(diǎn)的距離

通常來說，優(yōu)選足夠支持常規(guī)眼鏡的適眼距，這樣存在視力問題的用戶就無需購買定制透鏡。但如前所述，視窗實(shí)際上不是一個(gè)方形，而是圓錐形，并且會(huì)隨著顯示器的距離變大而變薄。所以，支撐大適眼距，以及寬度和高度足夠大的視窗非常具有挑戰(zhàn)性。

2.11 外圍視覺

當(dāng)談到AR眼鏡時(shí)，我們關(guān)注的不僅只是一個(gè)視場(chǎng)，而是兩個(gè)視場(chǎng)：AR眼鏡用于顯示虛擬內(nèi)容的可視覺增強(qiáng)區(qū)域，這是大多數(shù)文章和規(guī)范所指的視場(chǎng)；但人類可以感知的視場(chǎng)范圍要大于當(dāng)前AR顯示器的可視覺增強(qiáng)區(qū)域，而我們將可視覺增強(qiáng)區(qū)域之外的視場(chǎng)稱為外圍視場(chǎng)。另外，我們需要確保不能過分遮擋外圍視場(chǎng)。

人類視場(chǎng)是單眼約150度×120度，雙眼加起來是220度×120度。將顯示器放在眼睛前面會(huì)造成額外的遮擋，所以一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將這種遮擋保持在最低限度。下面是人眼視圖（綠色），無遮擋視圖（紅色）和可視覺增強(qiáng)視圖（藍(lán)色）的尺寸對(duì)比示意圖。為簡單起見，所有區(qū)域都繪制為矩形。

人類視場(chǎng)（綠色）與AR設(shè)備的示例性視場(chǎng)和實(shí)際視覺增強(qiáng)視圖進(jìn)行比較。綠色和紅色之間的區(qū)域表示設(shè)備所遮擋的視場(chǎng)。紅色和藍(lán)色之間的區(qū)域表示用戶可以感知的真實(shí)環(huán)境區(qū)域，但無法進(jìn)行視覺增強(qiáng)。

因此，除了最大化可視覺增強(qiáng)視場(chǎng)（藍(lán)色區(qū)域）之外，第二個(gè)目標(biāo)是最大化非遮擋視場(chǎng)（紅色區(qū)域）。要做到這一點(diǎn)，任何遮擋視圖的元素都需要向外拉。這包括顯示器部分（如投影儀），以及諸如傳感器這樣的元件或諸如鏡臂這樣的支撐結(jié)構(gòu)。

與上面的簡化示例圖不同，實(shí)際的視場(chǎng)不是矩形。如下圖所示，視場(chǎng)主要受眉毛，鼻子和臉頰的限制：紅色和黃色的組合區(qū)域描繪了左眼視場(chǎng)。類似地，綠色和黃色區(qū)域描繪了右眼的視場(chǎng)。黃色區(qū)域則描繪了雙眼重疊，亦即雙眼都可以觀察到的視場(chǎng)。

左圖：左眼和右眼的人類視場(chǎng)；右圖：左圖是通過使用虛擬頭部模型進(jìn)行光線投射生

2.12 色差

透鏡的折射率隨光波長而變化，這導(dǎo)致不同的“顏色相關(guān)”焦距。在相機(jī)中，這一般是通過組合多個(gè)透鏡來進(jìn)行補(bǔ)償，但由于尺寸限制，這對(duì)AR顯示器而言通常是不可能的事情。所以，色差是AR顯示器中引人注目的問題。盡管可以在軟件中校正一定的像差（通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)），但其他效果更難以解決（取決于視圖）或者不能校正。一如既往，最佳的途徑是盡可能地以光學(xué)方式而非數(shù)字方式來減少偽影。

左圖：紅色和藍(lán)色由于色差而分解；右圖：通過相應(yīng)地扭曲每個(gè)顏色通道進(jìn)行數(shù)字校正

2.13 深度感知

有多種人類視覺線索可以允許我們感知深度。對(duì)于AR顯示器，兩個(gè)最重要的線索是視覺輻輳（眼睛旋轉(zhuǎn)以觀察相同的對(duì)象）和視覺調(diào)節(jié)（瞳孔聚焦對(duì)象）。它們是神經(jīng)耦合，而不匹配的視覺輻輳和視覺調(diào)節(jié)會(huì)造成用戶不適，亦即所謂的視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC）。

大多數(shù)人在觀看3D電影時(shí)都會(huì)注意到VAC：盡管焦點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)改變（電視或投影屏幕不會(huì)移動(dòng)），但由于我們的眼睛看到略有不同的圖像（立體內(nèi)容），我們依然能夠感受到3D效果。在電影院中，焦平面由房間設(shè)置給出：如果你所坐的位置距離投影墻10米，焦平面就固定為10米。在這個(gè)距離下，人類幾乎不能根據(jù)瞳孔焦點(diǎn)區(qū)分距離。所以，只要立體內(nèi)容停留在這個(gè)距離或更遠(yuǎn)，畫面看起來就會(huì)自然。

對(duì)于AR顯示器，焦平面是光學(xué)路徑的設(shè)計(jì)參數(shù)：即便顯示器與眼睛的距離只有幾厘米，焦距平面都總是設(shè)置得更遠(yuǎn)，因?yàn)槿祟悷o法聚焦于這么短的距離，而且這沒有任何意義，因?yàn)樘摂M內(nèi)容會(huì)出現(xiàn)在更遠(yuǎn)距離。

下面的圖例說明了正常視圖，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之間的差異：在正常視覺輻輳和視覺調(diào)節(jié)同步的情況下，兩者都調(diào)整到相同的距離；對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)，視覺輻輳始終位于相同的距離（通常約為兩米），而視覺調(diào)節(jié)取決于以立體形式渲染的屏幕內(nèi)容；對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，兩者的沖突甚至可以更大：通過虛擬內(nèi)容增強(qiáng)的對(duì)象看起來是與視覺調(diào)節(jié)同步，但對(duì)于真實(shí)對(duì)象和虛擬對(duì)象的視覺輻輳可能非常不同。

理想情況下，我們能夠?yàn)槊總€(gè)像素選擇不同的焦距，而且行業(yè)已經(jīng)演示了朝這個(gè)方向發(fā)展的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。但是，這種系統(tǒng)需要非常長的時(shí)間才能達(dá)到商用水平。

如果我們必須使用單個(gè)焦平面的AR顯示器，設(shè)計(jì)師就需要決定放置它的位置。最適合大多數(shù)場(chǎng)景的情況似乎是2米左右。焦平面應(yīng)該為大致平坦且對(duì)所有顏色相同。這不是一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以在測(cè)量今天的AR顯示器時(shí)，你會(huì)注意到實(shí)際的焦點(diǎn)“平面”既不平坦，對(duì)所有顏色也不相同。

2.14 尺寸，重量和形狀參數(shù)

顯示器尺寸和眼鏡尺寸是當(dāng)今AR設(shè)備最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。由于要求大視場(chǎng)和大視窗，所以很難令顯示器變小。這就像要求一輛小型卡車同時(shí)具備大卡車的運(yùn)載噸位。大型顯示器會(huì)導(dǎo)致整體體積龐大，從而又造成AR眼鏡實(shí)用性較差。眼鏡越大，用戶越容易撞到什么。

另外，較大的顯示器通常會(huì)導(dǎo)致更重的光學(xué)元件。由于質(zhì)量和折射率要求，當(dāng)今AR顯示器的眾多光學(xué)元件都是由玻璃制成，而隨著尺寸的增加，玻璃很快就會(huì)變得太重。

在2018年舉行的Oculus Connect 5大會(huì)中，邁克爾·亞伯拉什指出AR眼鏡的重量不應(yīng)該超過70克。尺寸和重量不是獨(dú)立于其他屬性的參數(shù)。人體頭部可以舒適地承受比70克更重的重量（如果重量分布均勻）。盡管承受很輕的重量都會(huì)很快造成鼻梁受傷，但耳朵可以承受更多的重量，而且頭頂更加堅(jiān)硬。重量分布比重量本身更為重要。例如，Meta2眼鏡不是很重，但由于糟糕的重量分布，它給前額施加了非常大的壓力。

2.15 光學(xué)效率