AR智能眼镜的透明对比度

在这篇文章中，我们想讨论一下透明对比度（CR）的问题，尤其在AR智能眼镜领域中。 增强现实（AR）智能眼镜的主要限制之一是在明亮背景上的图像可见性。对于目前可用的智能眼镜，即使是最昂贵的智能眼镜，在大多数情况下，由于在正常的白天无法看到图像，因此很难在户外使用。这种对比度不足的局限性降低了可使用的场景，在某些形况下，例如在体育活动中，AR智能眼镜对于汽车驾驶员，喷气机飞行员等是很有用的。

图像的透明对比度是影响图像质量的主要因素。此参数直接影响其他可见性参数（例如颜色识别）以及其他系统参数（例如功耗，散热和寿命）。 良好的透明对比度与系统大小和体积之间总是存在一个权衡，换句话说，智能眼镜的体积有多大。如果以很高的功率驱动智能眼镜图像源以在明亮的背景上看到该符号，则其功耗会很大，并且需要大电池。该系统还会发热，并且在设计阶段就需要考虑散热，最重要的是，所选的显示技术必须能够提供所需的高亮度。这对系统的光学元件也有很大影响，因为需要高光学效率才能将高亮度图像传递到眼睛。

根据经验，户外智能眼镜要求透视对比度大于1：1.4，此时可以满足用户对包括室外条件在内的各种使用情况下图像的应用需求。这意味着对于给定的背景亮度，系统内部亮度必须满足以下条件：

在任何透明系统开发之初，这是我们始终将其用作最基本要求的对比度。为了更精确地评​​估在极端光照条件下的图像可见性，应考虑许多例外情况、假设和规则，例如，图像颜色与背景颜色。在颜色系统中，符号颜色坐标与背景颜色有很大差异，即使在明亮的背景下，图像也将具有很高的清晰度。在这种情况下，舒适的透明对比度可能低于1.4。例如，在蓝色背景（晴朗的天空）上使用红色符号时，对比度为1.3可能会令人满意。 但是无论如何，我们仍可以放心地声明户外智能眼镜需要高亮度。在开发这样的系统时，必须结合几种方法来克服许多设计挑战并产生一个良好且可持续的系统：

1、 最佳显示技术

在户外条件下，只有能够提供高亮度的显示技术才能在AR系统中使用。但这并不是全部。必须以合理的寿命和高效率实现高亮度。当我们谈论的是全色系统而不是单色系统时，可以考虑的技术非常有限，在选择正确的最佳显示技术时需要做出很多折衷。有关Microdisplay技术的更多信息，请阅读下文：

https://www.oled-info.com/microdisplay-technologies-ar-and-huds

2、 光学元件效率

系统光学元件的选择可能会对透明对比度产生严重影响。在光学元件中引入大量光损耗的无效的光学元件可能需要具有更高功耗的极高显示源亮度，从而严重影响系统寿命。光学设计者应仔细考虑效率问题，并在选择概念时予以注意。 AR系统中的整体光效率可能在百分之几到百分之五十以上。高效的光路可以打开新的自由度，使开发人员可以根据应用和客户的喜好选择他们希望获得的利处：更低的成本或更小的显示尺寸；很高的透明对比度和可见性；或是设计精巧的小巧智能眼镜。

3、 可变的透过率

一个增加透视对比度最直接的方法就是屏蔽或过滤背景光，从而使其无法进入人眼。根据透视对比度公式，背景亮度降低时对比度会增大。这就是为什么大多数可用的智能眼镜都配有深色或低透射率的光学滤光镜或遮阳板的原因。这个概念可以在Hololens，Magic leap或其他领先的AR智能眼镜中看到。当前，开发人员正在使用这些元件来增加透明对比度并减少功耗。但是，在低光照背景下，这些系统几乎看不到外部场景，此时他们更像是VR眼镜，而不是AR眼镜。

那么，如何使这些智能眼镜在各种亮度水平下都有用呢？我们认为，可变透射率的眼镜是控制外部光线到达用户眼睛的最佳可用解决方案。根据外部亮度调整透视透射率，这样可以保持高对比度，而不会影响所需的显示亮度，功耗和寿命。如今，存在多种不同的可变透射技术，例如光致变色或电致变色材料可以集成用于此用途。这些技术已经在不同的市场和应用中使用，并且也适用于AR和HUD系统。我们认为，未来将在AR智能眼镜中占据领先地位的技术是仅在眼镜的一小部分进行过滤的智能眼镜的技术，用户可以在其中看到投射的影像并进行透视。在那种情况下，总的传输和图像对比度将很高，两者都以非常低的总功耗实现。

4、 极化设计

增加总体光路效率的另一种方法是使用偏振作为系统中的设计自由度。当使用基于偏振的微显示技术（例如LCD或LCoS）时，此方法可能非常有用。可以针对光路中的线偏振光来设计和优化系统概念和光学涂层。这种设计方法将提高内部效率和透明对比度。根据我们的经验，在使用智能偏振系统设计的情况下，透明对比度可能会增加50％以上，而不会增加显示功耗或影响显示寿命。

5、 光谱设计

与偏振设计方法类似，也可以通过精确匹配图像源光谱和端到端光路（包括光学组件，涂层，滤光片，多次反射等）来提高内部效率和透视对比度。对用户而言，例如，背光光谱辐射亮度与LCD RGB彩色滤光片之间的良好匹配可以使LCD透射率提高百分之几十。优化应用在系统中光学元件上的反射和透射涂层的光谱曲线也可以提高内部系统效率和透明对比度。下图显示了本文讨论的某些方法之间的定性比较，这是在我们的实验室中为演示这些效果而建立的：

克服高环境光条件一直是AR智能眼镜市场的热门话题。如今，这已成为该行业的主要技术瓶颈之一。一个在各种照明条件下都能提供良好透视对比度的系统将使智能眼镜在各种使用情况下都可以发挥他的价值。它可能会为AR行业打开新的市场，并带动行业的增长和扩展。

我们要感谢Smart Films International的Ronen Lin先生在本文发布的图像中使用了可变传输技术。