在使用雙筒望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡時(shí)，大多數(shù)人應(yīng)該都會(huì)注意到出射瞳孔過(guò)小的問(wèn)題：除非每只眼睛能夠精確定位在目鏡前面的正確位置，否則你將看不到任何一切。這種“不待見(jiàn)”行為的原因是，較小的出瞳導(dǎo)致更高的光效率（進(jìn)入雙筒望遠(yuǎn)鏡的光線集中在另一側(cè)的小范圍區(qū)域），而這顯然是雙筒望遠(yuǎn)鏡的理想屬性。

那么，視窗到底要多大呢？視窗的最小實(shí)際尺寸顯然是人眼瞳孔尺寸（通常假設(shè)為大約4mm），而這通常是雙筒望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)目標(biāo)。雙筒望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)非常小，所以瞳孔保持相對(duì)固定。但對(duì)于AR/VR顯示器的，用戶的眼睛可以自由移動(dòng)。為了支持這種眼睛運(yùn)動(dòng)，視窗需要在每個(gè)方向增加至少數(shù)毫米。

眼球運(yùn)動(dòng)不是擴(kuò)大視窗的唯一要求。不同人有著不同的瞳距（IPD）。為了支持這種差異化，我們需要機(jī)械調(diào)節(jié)（如雙筒望遠(yuǎn)鏡）或光學(xué)調(diào)節(jié)（通過(guò)進(jìn)一步增加視窗寬度）。對(duì)于移動(dòng)端設(shè)備而言，移動(dòng)式組件存在非常大的問(wèn)題，尤其是在需要精確校準(zhǔn)的時(shí)候。由于機(jī)械調(diào)整不是一個(gè)好選擇，所以視窗寬度需要進(jìn)一步增加至少10mm，理想情況下是20mm。

由于波導(dǎo)的輸入光瞳通常不是非常大，所以行業(yè)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)增加出射光瞳的尺寸，如瞳孔擴(kuò)張或瞳孔復(fù)制。衍射波導(dǎo)具有天然的優(yōu)勢(shì)，而反射波導(dǎo)在兩個(gè)方向擴(kuò)展視窗（2D瞳孔擴(kuò)展）則非常具有挑戰(zhàn)性。結(jié)果，半反射波導(dǎo)通常具有比衍射波導(dǎo)小的視窗。

設(shè)計(jì)大視窗通常非常具有挑戰(zhàn)性，并且會(huì)對(duì)其他設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生巨大的影響。例如。視窗尺寸直接影響顯示區(qū)域（波導(dǎo)）的所需尺寸。另外，正如在雙筒望遠(yuǎn)鏡的示例一樣，為了實(shí)現(xiàn)相同的感知亮度，較大的視窗需要更多的光輸出。

2.3 亮度，透明度和占空時(shí)間

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，顯示亮度定義了顯示器的亮度是否足夠支持用戶在特定情況下清楚地感知虛擬內(nèi)容。透明度則關(guān)于有多少現(xiàn)實(shí)世界光線能夠到達(dá)眼睛。對(duì)于AR，理想情況是非模糊區(qū)域達(dá)到100％。對(duì)于VR，它通常為零。占空時(shí)間定義了每幀像素點(diǎn)亮的時(shí)間。占空時(shí)間可以以毫秒或幀時(shí)間百分比進(jìn)行度量。這三個(gè)主題在很大程度上獨(dú)立于用戶視點(diǎn)，但技術(shù)上密切相關(guān)。我們將在本節(jié)中一起討論。

對(duì)移動(dòng)AR設(shè)備而言，顯示亮度絕對(duì)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的話題。今天幾乎所有的AR頭顯的顯示亮度都非常有限：Hololens和DAQRI Smart Glasses的顯示亮度約為300 nits，而Magic Leap One的顯示亮度僅為200 nits。由于顯示器亮度非常具有挑戰(zhàn)性，所以今天大多數(shù)的AR眼鏡通常都是經(jīng)過(guò)調(diào)配，只限于室內(nèi)使用，而且在戶外很快變得不可用，尤其是在陽(yáng)光直射的情況下。為了減輕這個(gè)問(wèn)題，大多數(shù)AR頭顯都采用會(huì)降低透明度，并因而減少到達(dá)用戶眼睛的環(huán)境光線數(shù)量的有色面板，從而令顯示器相對(duì)更加光亮。盡管這對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)或許可以接受，但大多數(shù)專業(yè)領(lǐng)域都不能容忍低顯示透明度。

除了有色面板，大多數(shù)光學(xué)設(shè)計(jì)都會(huì)阻擋大量的現(xiàn)實(shí)世界光線。例如，Birdbath設(shè)計(jì)（原ODG和現(xiàn)Nreal）會(huì)格擋大部分的入射光線。

Karl Guttag的博客有關(guān)于這方面的介紹（這里?和這里?）。根據(jù)Guttag的說(shuō)法，Hololens只允許約40％的環(huán)境光線到達(dá)眼睛，MagicLeap One僅為約15％，而在2019年初亮相的Nreal眼鏡則是25％左右。幸運(yùn)的是，人眼具有大約1：109的巨大動(dòng)態(tài)范圍，所以我們能夠應(yīng)對(duì)這種亮度降低。但在黑暗環(huán)境中，這種亮度降低可能是產(chǎn)生問(wèn)題。

由于占空時(shí)間定義了每幀允許像素發(fā)光的時(shí)間長(zhǎng)度，所以它與顯示亮度密切相關(guān)。占空時(shí)間為100％意味著顯示器連續(xù)發(fā)光。對(duì)于60Hz顯示器，這意味著每幀大約16ms。但在這樣長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)顯示相同的像素值將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影（“拖尾”）。比方說(shuō)我們假設(shè)顯示器的水平視場(chǎng)是40度，水平方面1280像素分辨率，以及每秒60度的頭部旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，頭部大約每毫秒旋轉(zhuǎn)2個(gè)像素。所以當(dāng)占空時(shí)間為16ms時(shí)，每個(gè)像素將在32個(gè)像素的長(zhǎng)度中產(chǎn)生“空間拖尾”（參見(jiàn)下圖）。

左右兩邊為相同的圖像，但右圖出現(xiàn)了水平運(yùn)動(dòng)模糊

但幸運(yùn)的是，在專心查看細(xì)節(jié)時(shí)，我們?nèi)祟愵^部會(huì)更加穩(wěn)定，所以實(shí)際上AR顯示器通常可以接受4ms或更低的像素占空時(shí)間。

60Hz幀率的占空時(shí)間。左邊是16ms，右邊是4ms

LCOS面板是由單獨(dú)的LED點(diǎn)亮，而這可以非常光亮，所以可以實(shí)現(xiàn)高透明度，占空時(shí)間低于1ms（各顏色）的光亮顯示器。另一方面，OLED更暗，所以當(dāng)占空時(shí)間過(guò)短并且同時(shí)需要高透明度時(shí)，OLED顯示器很快就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)問(wèn)題。以上圖為例，當(dāng)占空時(shí)間為16ms時(shí)，顯示器更亮，但會(huì)出現(xiàn)拖影。當(dāng)占空之間為4ms時(shí)，拖影情況會(huì)減少，但顯示器會(huì)過(guò)暗。

當(dāng)占空時(shí)間為4ms時(shí)：左邊是120Hz幀率，右邊是240Hz

當(dāng)幀率為60Hz（約16ms）時(shí)，4ms的絕對(duì)占空時(shí)間將導(dǎo)致顯示像素僅在約25％的時(shí)間內(nèi)有效。結(jié)果，顯示亮度將降低四倍。如果顯示器以120Hz運(yùn)行，4ms的占空時(shí)間意味著像素依然在大約50％的時(shí)間內(nèi)發(fā)光。類似地，240Hz可以實(shí)現(xiàn)約100％的占空時(shí)間。但對(duì)于移動(dòng)設(shè)備及其顯示面板而言，這種高幀速率并不現(xiàn)實(shí)。

2.4 對(duì)比度

對(duì)比度沒(méi)有正式的定義或衡量方法。但是，大多數(shù)人都能理解對(duì)比度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)比度描述了顯示器同時(shí)產(chǎn)生更亮和更暗像素的能力，如：

如果顯示器的對(duì)比度較差，則無(wú)法同時(shí)顯示亮內(nèi)容和暗（透明）內(nèi)容。根據(jù)顯示器的整體亮度，它要么無(wú)法顯示明亮區(qū)域，要么本應(yīng)為暗（透明）的區(qū)域沒(méi)有變暗。對(duì)于光學(xué)透視顯示器，透明度取代了黑色的作用：在對(duì)比度差的AR顯示器中，你可以看到透明區(qū)域顯示為深灰色。換句話說(shuō)：只要AR顯示器不夠亮，對(duì)比度差的負(fù)面影響同樣有限。但隨著AR顯示器的亮度提升，它們將需要更高的對(duì)比度。

對(duì)比度取決于顯示面板和光學(xué)系統(tǒng)。LCOS往往具有低對(duì)比度，通常是為1：100至1：200。OLED具有相對(duì)較高的對(duì)比度，可以達(dá)到1：1.000.000或更高，這就是它們?nèi)缃袷艿郊矣秒娨暁g迎的原因。但在兩種情況下，光學(xué)元件（棱鏡，透鏡，波導(dǎo)）將導(dǎo)致對(duì)比度的進(jìn)一步降低。例如對(duì)基于LCOS的系統(tǒng)而言，最終對(duì)比度很容易就會(huì)低于1：100。

2.5 均勻性和顏色質(zhì)量

顏色質(zhì)量定義了顯示器能夠再現(xiàn)顏色的準(zhǔn)確程度。例如，由GPU渲染成紅色的像素會(huì)顯示屏中顯示為紅色嗎？為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)纳试佻F(xiàn)，我們需要進(jìn)行校準(zhǔn)（包括伽瑪）。由于AR顯示器通常是添加光線，所以感知顏色同時(shí)取決于虛擬內(nèi)容所疊加的場(chǎng)景。

與對(duì)比度相同，顏色質(zhì)量可能存在非常大的差異，具體取決于顯示器的位置：例如，取決于它是位于顯示器的左側(cè)還是右側(cè)，像素顏色看起來(lái)可能相當(dāng)不同。這種偽影通常依賴于視圖，這意味著用戶瞳孔的位置同樣會(huì)有影響，并且需要眼動(dòng)追蹤進(jìn)行解決。

均勻性描述了位于不同顯示器位置的像素顏色變化：對(duì)于完美的顯示器，通過(guò)相同RGB值渲染的每個(gè)像素看起來(lái)都完全相同。實(shí)際上，亮度，對(duì)比度，顏色和其他屬性取決于顯示器位置以及查看像素的角度。

盡管自由形式組合器（如Meta2）和半反射波導(dǎo)（如Lumus）的均勻性通常都非常好，但衍射波導(dǎo)顯示器（如Hololens和MagicLeap）明顯受到均勻性問(wèn)題的影響。這種充滿中等灰度像素級(jí)數(shù)的顯示器會(huì)出現(xiàn)各種色調(diào)（見(jiàn)下圖）。

衍射波導(dǎo)的顏色問(wèn)題。顯示器會(huì)出現(xiàn)各種色調(diào)，而非均勻的白色或灰色色調(diào)。底部明顯出現(xiàn)了亮度不均勻。

2.6 分辨率