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從整機系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，可穿戴增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）設(shè)備包括三個主要部分。首先是演示或顯示（presentation or display），再者是人機界面與機器傳感（user interface and machine sensing）。能夠傳感真實世界，并且予以數(shù)字化的傳感器對高端的AR設(shè)備尤為重要。第三個部份是運算與通訊（computing and communication）。要為VR、AR或混合現(xiàn)實（MR）渲染出電腦圖像（computer-generated objects），運算性能必不可少；運算的處理器可以是可穿戴設(shè)備本身，或是利用連接（tethering）的手機或是個人電腦。連接的過程中，可以是有線，或者是利用Wi-Fi 6、5G調(diào)制解調(diào)器等無線連接以獲得完全的無線體驗。

 

人機接口和機器傳感可以利用現(xiàn)有的傳感器技術(shù)。然而，將現(xiàn)實世界（或是使用設(shè)備時的周圍世界）予以數(shù)字化的三維深度傳感（3D depth sensing）則更具挑戰(zhàn)性。特別是用戶與設(shè)備在現(xiàn)實世界還有物理移動時，同時定位與地圖構(gòu)建（SLAM, simultaneous localization and mapping）可能也會設(shè)計加入。三維深度感測的技術(shù)上，考慮到傳感原理、傳感距離、環(huán)境光、深度建構(gòu)演算的復(fù)雜度等因素，飛行時間（time of flight， ToF）可能比結(jié)構(gòu)光（structured light）技術(shù)更為合適。不過，一般低端的VR或AR設(shè)備可能不需要追蹤或數(shù)字化真實世界。

 

AR和VR在顯示部分則有不同的顯示技術(shù)，這是取決于應(yīng)用端使用時的環(huán)境與需求來決定。穿戴式VR設(shè)備通常會使用封閉的做法（occlusion），這種封閉的作法是為了提高使用者身臨其境的體驗（immersion）。同時，也正因為這種封閉的情境，使得顯示時的考慮因素相對于AR來得簡單些。穿戴式AR設(shè)備使用時主要的干擾來自環(huán)境光（可能超過800 nits），或現(xiàn)實世界環(huán)境的復(fù)雜度在與AR顯示重疊后，造成使用者不易辨識。例如：黑色不易在AR顯示中表現(xiàn)，深色也可能與環(huán)境中的深色對象相混淆。對于采用“直接可視”（OST, optical see-through）的AR設(shè)備設(shè)計來說，現(xiàn)實世界與虛擬的AR顯示是在波導(dǎo)光學(xué)元件（waveguide optics）相疊在一起的，前述的干擾情況較為顯著。

 

另一方面，采用“攝入而視”（video see-through or passthrough）的設(shè)備（像是VR或是一些MR設(shè)備設(shè)計），現(xiàn)實世界是通過設(shè)備的前方鏡頭拍攝進入后，透過設(shè)備的影像運算后，才與虛擬世界相重疊。因此，干擾的情況透過影像與處理就可以改善。穿戴式AR與VR設(shè)備有各自不同的應(yīng)用與使用目的，并不是存在著相互取代的關(guān)系。例如：使用“攝入而視”的設(shè)備時，用戶在現(xiàn)實世界中的移動能力、識別能力都會受限，但是“直接可視”的設(shè)備就較無這類限制。所以，穿戴式AR與VR設(shè)備的發(fā)展，以及對顯示技術(shù)的需求并不完全相同。另外，相對于VR需要穿戴產(chǎn)生封閉情境，AR的產(chǎn)生并不一定都仰賴可穿戴設(shè)備，智能手機與車載上的抬頭顯示器（HUD， head-up display）都可以產(chǎn)生AR的效果與應(yīng)用。

 

用于VR和AR應(yīng)用的顯示器
 

對于VR顯示器，智能手機上已經(jīng)相當普遍的TFT LCD和AMOLED均適用于VR設(shè)備。不過，也有一些設(shè)備廠商采用 “硅基OLED”（OLEDoS, OLED on silicon or micro OLED），OLEDoS有基于半導(dǎo)體CMOS硅的驅(qū)動電路，而不是基于TFT線路。因此，OLEDoS有機會在解析度與大小上比AMOLED有更好的規(guī)格。VR顯示器設(shè)計可以是單顯示器或雙顯示器，這兩種做法都有廠商采用，主要是考量到成本、視野與穿戴時調(diào)整的舒適性等因素 。另外，光學(xué)透鏡，如菲涅爾透鏡（Fresnel lens），或是折疊鏡頭（pancake lens）被用來更好地聚集顯示光傳送到眼睛。對VR顯示器的要求主要是更高的分辨率，以獲得更高的“每單位角度像素”（PPD, pixels per degree）和更低的“紗窗效應(yīng)”（screen-door effect）。

 

PPD中的“角度”的是基于顯示器和眼睛之間的夾角或視野（FOV, field of view）。越大的FOV可以提供越好的沉浸感。顯示的無延遲（low persistence）是一項重要的規(guī)格，因為大多數(shù)VR應(yīng)用的內(nèi)容是3D運算渲染出來的電腦圖像。通常VR顯示屏?xí)�強調(diào)90Hz或是120Hz的刷新率（refresh rate）。然而，在實際設(shè)計VR設(shè)備時，需要在產(chǎn)品的營銷定位上做一些折衷的考量；更高的顯示規(guī)格意味著更高的顯示成本、更高的功耗和更大的外形尺寸。例如，第一代的Oculus采用的是雙屏設(shè)計的3.5吋1440x1600 AMOLED，更受歡迎的第二代卻是單屏設(shè)計5.5吋3664x1920 LTPS TFT LCD，借此將成本與售價降低與提高市場滲透率。下一代的高階產(chǎn)品可能又回復(fù)到雙屏設(shè)計。

 

大多數(shù)AR顯示器是基于硅線路的微型顯示器（micro display），例如：微機電系統(tǒng)（MEMS）的微型顯示技術(shù)，包括數(shù)字光處理（diigital mirror device, DMD  or DLP）、激光束掃描（laser beam scanning, LBS） ─ 用于Microsoft HoloLens，以及自發(fā)光的硅基LED（LEDoS, LED on silicon or micro LED）。在實際的光學(xué)設(shè)計中，用戶并不是直接凝視微型顯示器，而是透過附加的光學(xué)元件來觀看，這與常見的平面顯示器（例如：TFT LCD與AMOLED）是相當不同的。早期的AR顯示光學(xué)設(shè)計多半無法兼顧輕薄與顯示面積，例如，Google Glass的專利（US9013793）揭示了利用偏振分光棱鏡（polarization beam splitter, PBS）的做法，將光線由微顯示器引入具有一定厚度的棱鏡中，而該光學(xué)元件則是位于用戶的眼鏡上。當前比較主流的作法是采用波導(dǎo)光學(xué)元件（waveguide optics），在薄度、造型上都比較令人滿意。

 

使用這些穿戴式AR設(shè)備時，影像顯示來自微型顯示器發(fā)射；然后光線被引導(dǎo)進入波導(dǎo)光學(xué)元件中。波導(dǎo)光學(xué)元件是輕薄而接近透明的，所以使用者可以同時看到現(xiàn)實世界與虛擬世界的物件在波導(dǎo)光學(xué)元件中迭合。波導(dǎo)光學(xué)元件的作用原理有繞射（diffusion）或是全息（holography）等作法。不幸的是，光線通過波導(dǎo)后的損失幾乎達到99%，這樣會使得微弱的光線在現(xiàn)實世界的強光反差之下更顯得微弱、不明，因此，高亮度對AR顯示器至關(guān)重要。總的來說，與AR顯示器相比，VR顯示器的供應(yīng)鏈、彩色技術(shù)已經(jīng)相當成熟。這是因為已經(jīng)大量生產(chǎn)的LTPS TFT LCD或AMOLED顯示器被廣泛使用，而且許多面板廠商已經(jīng)存在 ，像是JDI、SHARP和Samsung Display等。

 

圖1：可穿戴設(shè)備的顯示設(shè)計

 

 

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

 

VR和AR顯示器的供應(yīng)鏈

AR顯示器供應(yīng)鏈之所以還不太成熟，有一些原因。首先，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、成為微型顯示器的制作難度與精度，絕對不下于一般的TFT顯示器。再者，縱然有一些可應(yīng)用的微型顯示器技術(shù)，但是在光機大小、效能、彩色、成本等因素的考量之下，業(yè)界還未能有最佳的技術(shù)成熟度與共識。當然，更重要的是當前的穿戴式AR設(shè)備出貨量實在太小，目前主要的應(yīng)用多半是集中在垂直領(lǐng)域（例如：工業(yè)、醫(yī)療、軍事等），無法說服制造商在供應(yīng)鏈中增加投資和生產(chǎn)。而現(xiàn)在這個供應(yīng)鏈中的許多制造商規(guī)模偏小，有些員工人數(shù)約僅100-200人， 而且設(shè)備的量產(chǎn)等級與TFT顯示器行業(yè)完全不可同日而語。為了促進采用和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展，一些制造商相互合作，同時提供包含顯示、光學(xué)和設(shè)備的參考設(shè)計，以鼓勵更多的品牌開發(fā)產(chǎn)品。

 

AR顯示器的主要元器件是微型顯示器和光學(xué)器件，兩者是一個組合。LEDoS的優(yōu)勢在于高亮度，即使經(jīng)過波導(dǎo)光學(xué)元件的削弱（僅存1%左右），都有機會維持到1,000 nits。但其RGB的彩色技術(shù)尚未成熟，嘗試的技術(shù)方向包含色轉(zhuǎn)（color conversion）、堆疊（RGB stacking）、組合（RGB chips in a cube）。相對地，OLEDoS的彩色技術(shù)更加成熟，常見的是混出白光后透過彩色濾光片做法，但這種作法的光損較高。另外，也有一些作法是在OLEDoS的材料、堆棧（例如：Kopin Trio Stack）或是直接精細蒸鍍（例如：eMagin dPd™）上著手。OLEDoS比較適合VR和MR這類的封閉設(shè)備設(shè)計，但其亮度值對于通過波導(dǎo)光學(xué)元件的AR設(shè)備（開放式設(shè)計）來說可能太低。LCoS、LBS和DMD雖然光機相對于LEDoS與OLEDoS較大，但是很重要的優(yōu)點就是彩色化與高亮度實現(xiàn)是可行的，三者均可以通過激光光源來提高亮度值。

 

圖2：AR和VR顯示器供應(yīng)鏈和制造商

 

 

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

 

相對于LEDoS技術(shù)上尚待進一步的發(fā)展，OLEDoS目前在供應(yīng)鏈上的關(guān)系、串聯(lián)已經(jīng)略見雛形，而且既有的TFT生態(tài)體系的AMOLED面板廠也展現(xiàn)出了興趣。在TFT生態(tài)體系中，DDIC（顯示驅(qū)動芯片）與AMOLED制程（顯示像素線路與蒸鍍）是分開、各司其職的。DDIC用于驅(qū)動顯示面板，而面板廠則負責(zé)制造基于TFT的顯示像素電路。然而，這不一定完全適用于OLEDoS。與基于TFT的AMOLED相比，OLEDoS的供應(yīng)鏈仍處于起步階段。DDIC芯片商和OLEDoS面板廠之間可能有更多的商業(yè)模式。

 

第一種，DDIC芯片商在晶圓上同時設(shè)計DDI和顯示像素（display pixels）電路。然后，OLEDoS面板廠則僅負責(zé)在晶圓上進行OLED蒸鍍，并將其分割成OLEDoS芯片。DDI線路和顯示像素電路同時位在一顆芯片（die）上，成為了一種單芯片設(shè)計，而DDIC芯片商扮演著關(guān)鍵角色。

第二種，DDIC芯片商只提供DDIC芯片。此芯片可能是來自面板廠委托設(shè)計的芯片（ASIC），或者是DDIC芯片商的既有產(chǎn)品。不管哪一種，DDIC與顯示像素電路是分開的，而成為了一種雙芯片解決方案。DDIC可以貼合于顯示像素芯片上，這種作法類似TFT LCD上的COG（chip on glass）。

第三種，面板廠負責(zé)全部設(shè)計與制造，從DDIC到顯示像素電路。這可能是一個單芯片或是雙芯片解決方案，并強調(diào)了面板廠在供應(yīng)鏈中的價值。關(guān)于單芯片或雙芯片的OLEDoS仍有爭論。通常，DDIC電路需要更高級別的半導(dǎo)體工藝制程，如28nm或40nm，特別是當解析度進一步拉高時。但顯示像素電路則可能使用較低級別的工藝制程就可以滿足，如90nm或um級。如果兩者的半導(dǎo)體工藝差距過大，單芯片設(shè)計不一定比雙芯片設(shè)計更有成本效益。

目前VR設(shè)備的出貨量明顯高于AR設(shè)備，除了顯示技術(shù)與供應(yīng)鏈較為成熟外，應(yīng)用端比較偏向消費性市場也是重要因素。VR在游戲、虛擬社交的潛力很容易就看出來。不過，在吸引了初期的玩家后，最終未必多數(shù)的消費者都有興趣長時間戴上厚重的設(shè)備，進入一個虛擬世界里。對于AR市場的騰飛起點，知名品牌將起最重要的作用。穿戴式AR設(shè)備系統(tǒng)可能比智能手機更為復(fù)雜，無論是顯示、光學(xué)還是運算。而另一方面，用戶卻未必愿意接受與高階智能手機一樣的價格。只有知名品牌才能平衡性能、技術(shù)成熟度、外形尺寸和BOM成本等因素，進而拉動整個生態(tài)體系與供應(yīng)鏈的成長。