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從整機系統設計的角度來看，可穿戴增強現實（AR）和虛擬現實（VR）設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，并且予以數字化的傳感器對高端的AR設備尤為重要。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調制解調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有的傳感器技術。然而，將現實世界（或是使用設備時的周圍世界）予以數字化的三維深度傳感（3D depth sensing）則更具挑戰性。特別是用戶與設備在現實世界還有物理移動時，同時定位與地圖構建（SLAM, simultaneous localization and mapping）可能也會設計加入。三維深度感測的技術上，考慮到傳感原理、傳感距離、環境光、深度建構演算的復雜度等因素，飛行時間（time of flight， ToF）可能比結構光（structured light）技術更為合適。不過，一般低端的VR或AR設備可能不需要追蹤或數字化真實世界。

 

AR和VR在顯示部分則有不同的顯示技術，這是取決于應用端使用時的環境與需求來決定。穿戴式VR設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設備使用時主要的干擾來自環境光（可能超過800 nits），或現實世界環境的復雜度在與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，深色也可能與環境中的深色對象相混淆。對于采用“直接可視”（OST, optical see-through）的AR設備設計來說，現實世界與虛擬的AR顯示是在波導光學元件（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）的設備（像是VR或是一些MR設備設計），現實世界是通過設備的前方鏡頭拍攝進入后，透過設備的影像運算后，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設備有各自不同的應用與使用目的，并不是存在著相互取代的關系。例如：使用“攝入而視”的設備時，用戶在現實世界中的移動能力、識別能力都會受限，但是“直接可視”的設備就較無這類限制。所以，穿戴式AR與VR設備的發展，以及對顯示技術的需求并不完全相同。另外，相對于VR需要穿戴產生封閉情境，AR的產生并不一定都仰賴可穿戴設備，智能手機與車載上的抬頭顯示器（HUD， head-up display）都可以產生AR的效果與應用。

 

用于VR和AR應用的顯示器
 

對于VR顯示器，智能手機上已經相當普遍的TFT LCD和AMOLED均適用于VR設備。不過，也有一些設備廠商采用 “硅基OLED”（OLEDoS, OLED on silicon or micro OLED），OLEDoS有基于半導體CMOS硅的驅動電路，而不是基于TFT線路。因此，OLEDoS有機會在解析度與大小上比AMOLED有更好的規格。VR顯示器設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、視野與穿戴時調整的舒適性等因素 。另外，光學透鏡，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”（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）是一項重要的規格，因為大多數VR應用的內容是3D運算渲染出來的電腦圖像。通常VR顯示屏會強調90Hz或是120Hz的刷新率（refresh rate）。然而，在實際設計VR設備時，需要在產品的營銷定位上做一些折衷的考量；更高的顯示規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采用的是雙屏設計的3.5吋1440x1600 AMOLED，更受歡迎的第二代卻是單屏設計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。下一代的高階產品可能又回復到雙屏設計。

 

大多數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（MEMS）的微型顯示技術，包括數字光處理（diigital mirror device, DMD  or DLP）、激光束掃描（laser beam scanning, LBS） ─ 用于Microsoft HoloLens，以及自發光的硅基LED（LEDoS, LED on silicon or micro LED）。在實際的光學設計中，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顯示光學設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光學元件（waveguide optics），在薄度、造型上都比較令人滿意。

 

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

 

圖1：可穿戴設備的顯示設計

 

 

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

 

VR和AR顯示器的供應鏈

AR顯示器供應鏈之所以還不太成熟，有一些原因。首先，應用于可穿戴設備、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，縱然有一些可應用的微型顯示器技術，但是在光機大小、效能、彩色、成本等因素的考量之下，業界還未能有最佳的技術成熟度與共識。當然，更重要的是當前的穿戴式AR設備出貨量實在太小，目前主要的應用多半是集中在垂直領域（例如：工業、醫療、軍事等），無法說服制造商在供應鏈中增加投資和生產。而現在這個供應鏈中的許多制造商規模偏小，有些員工人數約僅100-200人， 而且設備的量產等級與TFT顯示器行業完全不可同日而語。為了促進采用和生態系統發展，一些制造商相互合作，同時提供包含顯示、光學和設備的參考設計，以鼓勵更多的品牌開發產品。

 

AR顯示器的主要元器件是微型顯示器和光學器件，兩者是一個組合。LEDoS的優勢在于高亮度，即使經過波導光學元件的削弱（僅存1%左右），都有機會維持到1,000 nits。但其RGB的彩色技術尚未成熟，嘗試的技術方向包含色轉（color conversion）、堆疊（RGB stacking）、組合（RGB chips in a cube）。相對地，OLEDoS的彩色技術更加成熟，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這類的封閉設備設計，但其亮度值對于通過波導光學元件的AR設備（開放式設計）來說可能太低。LCoS、LBS和DMD雖然光機相對于LEDoS與OLEDoS較大，但是很重要的優點就是彩色化與高亮度實現是可行的，三者均可以通過激光光源來提高亮度值。

 

圖2：AR和VR顯示器供應鏈和制造商

 

 

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

 

相對于LEDoS技術上尚待進一步的發展，OLEDoS目前在供應鏈上的關系、串聯已經略見雛形，而且既有的TFT生態體系的AMOLED面板廠也展現出了興趣。在TFT生態體系中，DDIC（顯示驅動芯片）與AMOLED制程（顯示像素線路與蒸鍍）是分開、各司其職的。DDIC用于驅動顯示面板，而面板廠則負責制造基于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模式。

 

第一種，DDIC芯片商在晶圓上同時設計DDI和顯示像素（display pixels）電路。然后，OLEDoS面板廠則僅負責在晶圓上進行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計，而DDIC芯片商扮演著關鍵角色。

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計的芯片（ASIC），或者是DDIC芯片商的既有產品。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，面板廠負責全部設計與制造，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，并強調了面板廠在供應鏈中的價值。關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。如果兩者的半導體工藝差距過大，單芯片設計不一定比雙芯片設計更有成本效益。

目前VR設備的出貨量明顯高于AR設備，除了顯示技術與供應鏈較為成熟外，應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，最終未必多數的消費者都有興趣長時間戴上厚重的設備，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設備系統可能比智能手機更為復雜，無論是顯示、光學還是運算。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、技術成熟度、外形尺寸和BOM成本等因素，進而拉動整個生態體系與供應鏈的成長。