Was ist Near-Eye-Display: Komponenten, Herausforderungen, Einsatzmöglichkeiten und mehr

Optik für das nahe Auge verändern die Art und Weise, wie wir digitale Inhalte sehen und mit ihnen interagieren, aber die meisten Menschen sind sich nicht bewusst, was nur wenige Zentimeter von ihren Augen entfernt passiert. Als augennahe Displays in AR, VR und intelligenten Wearables üblich werden, können Probleme wie visuelles Unbehagen, Bildverzerrungen und Augenermüdung das Benutzererlebnis schnell beeinträchtigen. In diesem Blog-Beitrag werden wir auspacken, was Optik von augennahen Displays wirklich sind, wie augennahe Displays funktionieren und warum Komfort, Immersion und Messprobleme wichtiger sind, als Sie vielleicht denken.

1. 1. Was ist Near-Eye Display (NED)?
   2. Herausforderungen in der Near-Eye Display (NED) Messtechnik
   3. Häufige Anwendungen von augennahen Displays
   4. Bauen Sie Präzision für die nächste Generation von augennahen Displays

Was ist Near-Eye Display (NED)?

A Near-Eye-Display (NED) ist eine Art von Display, das so konzipiert ist, dass es extrem nah an Ihren Augen sitzt, normalerweise nur ein paar Zentimeter entfernt. Anstatt Ihnen einen Bildschirm zu zeigen, auf den Sie von der anderen Seite des Raumes aus schauen, verwenden NEDs clevere augennahe Optik zur Erzeugung eines virtuelles Bild das viel größer und weiter entfernt erscheint als das winzige Display im Inneren des Geräts.

Anstatt sich auf das Display selbst zu konzentrieren, nimmt der Benutzer ein Bild wahr, das sich optisch in einem angenehmen Betrachtungsabstand befindet. Diese Fähigkeit ist unerlässlich, um immersive und natürliche visuelle Erlebnisse zu schaffen, insbesondere bei tragbaren Systemen, bei denen Größe, Gewicht und Stromverbrauch eng begrenzt sind.

Aus diesem Grund werden NEDs zunehmend als grundlegende Technologie für moderne AR- und VR-Systeme anerkannt, bei denen Displayleistung, optische Effizienz und Benutzerkomfort sorgfältig abgewogen werden müssen. Da sich die Industrie auf praktischere und alltagstauglichere tragbare Geräte zubewegt, hat sich die Rolle der augennahen Displays von experimentellen Komponenten zu produktbestimmenden Elementen gewandelt.

Am häufigsten finden Sie NEDs in Head-Mounted Displays (HMDs) und intelligenten Brillen, und sie sind die Kerntechnologie hinter Virtual Reality (VR)/Augmented Reality (AR)und Mixed Reality (MR) Erfahrungen.

Die wichtigsten optischen Komponenten von augennahen Displays

Das Herzstück ist ein Nahdistanz-Display (NED) mag futuristisch aussehen, aber sein optischer Aufbau besteht aus nur drei Schlüsselkomponenten. Diese Teile arbeiten zusammen, um ein winziges Display in ein großes, komfortables Bild zu verwandeln, das sich anfühlt, als würde es vor Ihren Augen schweben.

Display / Lichtquelle

Bei einem augennahen Anzeigesystem wird das Anzeigeoft auch als Lichtquelle bezeichnet Lichtquelle oder Lichtmaschineist die Komponente, die das Bild selbst erzeugt oder moduliert. Einfach ausgedrückt, ist dies der Ort, an dem das Bild entsteht, bevor es von den optischen Elementen geführt und geformt wird.

Die Display-/Light-Engine spielt eine entscheidende Rolle für die visuelle Gesamtleistung, denn sie hat direkten Einfluss auf die Klarheit des Bildes, die Farbqualität, die Helligkeit, die Energieeffizienz und die flüssigen Bewegungen. Je nach den Anwendungsanforderungen von AR-, VR- oder MR-Systemen werden unterschiedliche Technologien eingesetzt. Gängige Display- und Light-Engine-Technologien, die in Optik für das nahe Auge umfassen:

• LCoS (Flüssigkristall auf Silizium): Eine reflektierende Mikrodisplay-Technologie, die häufig in AR Light Engines verwendet wird. LCoS wird geschätzt für seine hohe Auflösung und gute Bildgleichmäßigkeitund wird oft mit einer externen Beleuchtungsquelle und Projektionsoptik kombiniert.
• MicroLED: Eine selbstemittierende Mikrodisplay-Technologie, die eine sehr hohe Helligkeit und hohe Energieeffizienz bietet. Diese Eigenschaften machen MicroLED besonders attraktiv für durchsichtige AR-Displayswo die Überwindung des Umgebungslichts entscheidend ist.
• LBS (Laser Beam Scanning): Ein Anzeigeverfahren, das einen scannenden Laserstrahl verwendet, um Bilder zu erzeugen. LBS ermöglicht kompakte und leichte optische Designs und kann eine hohe Helligkeit erreichen, was sie zu einer vielversprechenden Option für schlanke AR-Brillen macht.
• OLED (Organic Light-Emitting Diode): Eine selbstemittierende Display-Technologie, bekannt für schnelle Reaktionszeit, hohen Kontrast und satte Farben. OLED wird häufig in VR- und MR-Displays für den Nahbereich eingesetzt, während seine Helligkeit und Lebensdauer für AR-Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind.
• LCD (Flüssigkristallanzeige): Eine lichtmodulierende Technologie, die eine externe Hintergrundbeleuchtung erfordert. Obwohl historisch wichtig, ist LCD weniger häufig in modernen augennahen Displays verwendet aufgrund des geringeren Kontrasts und der langsameren Reaktion im Vergleich zu neueren Mikrodisplay-Lösungen.
• DLP / DMD-basierte Systeme: Systeme, die mikroskopische Spiegel verwenden, um Licht zu modulieren. Sie können liefern hohe Helligkeit und gute BildkontrolleAber die Systemgröße, der Stromverbrauch und die optische Komplexität müssen bei augennahen Anwendungen sorgfältig gesteuert werden.

Optischer Kombinierer

Der optische Kombinierer steuert, wie das erzeugte Bild die Augen des Benutzers erreicht und wie es mit der realen Welt interagiert. Seine Rolle ändert sich, je nachdem, ob das System für ein vollständiges Eintauchen oder für die Verschmelzung digitaler Inhalte mit der physischen Umgebung konzipiert ist.

In immersiven Systemen wie VR-Headsets hilft der Combiner, das Bild auf beide Augen zu verteilen und gleichzeitig externes Licht zu blockieren, so dass sich der Benutzer vollständig von einer virtuellen Umgebung umgeben fühlt.

Bei durchsichtigen Systemen, wie z.B. AR-Brillen, spielt der optische Kombinator eine komplexere Rolle. Es muss digitale Bilder mit realem Licht auf eine Art und Weise verschmelzen, die natürlich, stabil und visuell angenehm ist, so dass Grafiken, Text oder virtuelle Objekte nahtlos mit der Umgebung des Benutzers übereinstimmen. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, ist eine sorgfältige Kontrolle der optischen Effizienz, Helligkeit und Transparenz erforderlich.

In dem Maße, in dem AR-Geräte in den Alltag Einzug halten, ist der optische Kombinierer zu einer der wichtigsten und anspruchsvollsten Komponenten beim Design von augennahen Displays geworden. Seine Leistung hat großen Einfluss auf die Größe des Systems, die visuelle Qualität und den Benutzerkomfort und bestimmt letztendlich, ob ein augennahes Display den Benutzer von der Realität isoliert oder sie verbessert.

Abbildende Optik

Die Abbildungsoptik sind dafür verantwortlich, dass ein winziger Bildschirm groß und angenehm zu betrachten ist. Diese Linsen oder optischen Elemente formen, vergrößern und fokussieren das Licht, so dass das Bild in einem natürlichen Betrachtungsabstand und nicht direkt vor dem Auge erscheint.

Es gibt zwei wesentliche Gestaltungsansätze:

• Pupillen-formende SystemeDie Pupillenformungssysteme erzeugen ein Zwischenbild und helfen dabei, die Augenbox zu erweitern, so dass eine gewisse Freiheit bei den Augenbewegungen möglich ist, ohne dass das Bild verloren geht.
• Nicht pupillenbildende Systemedie das Licht nahezu parallel ins Auge leiten, wodurch das Bild weit entfernt erscheint und die Augen weniger belastet werden.

Ihr Hauptziel ist es, eine klare Sicht zu gewährleisten und gleichzeitig natürliche Augenbewegungen und langfristigen Komfort zu ermöglichen.

Diese drei Komponenten funktionieren wie ein einziges optisches System, wobei das menschliche Auge als letztes Element fungiert. Der Bildgenerator erzeugt den visuellen Inhalt, die Abbildungsoptik vergrößert und formt ihn, und der optische Kombinierer bestimmt, wie dieses Bild die Augen erreicht und ob es sich mit der realen Welt vermischt.

Anstatt ein Bild auf eine physische Oberfläche zu projizieren, erzeugt das System ein virtuelles Bild und eine virtuelle Pupille. Wenn sich Ihr Auge in diesem Bereich befindet, fokussiert Ihre eigene Augenlinse das Licht direkt auf die Netzhaut, so dass ein winziges Mikrodisplay wie ein großer Bildschirm im Raum schwebt.

Ein hilfreicher Weg, um über ein augennahen Display ist wie ein Hightech-Fenster. Der Bildgenerator ist die Szene, die gemalt wird, die Abbildungsoptik ist das Spezialglas, das die Szene größer und weiter weg erscheinen lässt, und der optische Kombinator steuert, ob das Fenster transparent oder undurchsichtig ist. Zusammen erzeugen sie die Illusion von Tiefe, Größe und Eintauchen, die den augennahes Display Erfahrung.

Herausforderungen in der NED-Metrologie

Das Messen und Auswerten von NEDs, ein Prozess, der als Metrologie bekannt ist, unterscheidet sich grundlegend von der Messung herkömmlicher Bildschirme. Da diese Geräte für die Zusammenarbeit mit dem menschlichen Auge konzipiert sind, müssen die Messsysteme mehr leisten als nur Licht zu erfassen. Sie müssen die Geometrie, Bewegung und Wahrnehmung des menschlichen Auges selbst nachahmen. Die Messungen müssen in einer winzigen Augenbox vorgenommen werden, wobei die Eintrittspupille der Kamera genau dort platziert werden muss, wo sich ein echtes Auge befinden würde, wobei auch berücksichtigt wird, wie sich das Auge dreht und fokussiert.

Diese einzigartige Anforderung macht die NED-Messtechnik zu einem der anspruchsvollsten Bereiche der Display-Messtechnik und unterstützt direkt die beiden Säulen, die ein erfolgreiches augennahes Erlebnis definieren: Komfort und Eintauchen.

Komfort

Die Bequemlichkeit bestimmt, ob ein NED auf natürliche Weise und über einen längeren Zeitraum verwendet werden kann, ohne dass es zu Belastungen oder Beschwerden kommt. Die Messtechnik hilft den Ingenieuren, Probleme zu erkennen und zu verringern, die die Augen, das Gleichgewicht und die allgemeine körperliche Erfahrung des Benutzers beeinträchtigen.

Eine der wichtigsten Herausforderungen im Bereich Komfort ist der Vergenz-Akommodations-Konflikt (VAC). Beim alltäglichen Sehen drehen sich Ihre Augen nach innen, um ein Objekt zu betrachten und auf dieselbe Entfernung zu fokussieren. Bei vielen NED-Systemen können die Augen jedoch auf ein virtuelles Objekt konvergieren, während sie auf eine feste optische Entfernung fokussieren. Diese Fehlanpassung ist eine der Hauptursachen für Augenbelastung, Müdigkeit, Schwindel und Übelkeitund machen VAC zu einer Top-Priorität bei Design und Messung.

Auch das physische Design spielt eine wichtige Rolle. Weil NEDs auf dem Kopf getragen werden, Gewicht, Größe und Balance wirken sich direkt auf den Komfort aus. Selbst ein visuell ausgezeichnetes Display kann sich unbrauchbar anfühlen, wenn es zu schwer oder schlecht verteilt ist. Die Messtechnik unterstützt dies, indem sie sicherstellt, dass die optischen Designs kompakte und leichte Formfaktoren ermöglichen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Ein weiterer wichtiger Bereich ist die räumliche Platzierungdie oft mit Augenabstand und Augenabstand beschrieben wird. Der Augenabstand bezieht sich auf den Abstand zwischen der endgültigen optischen Oberfläche und der Austrittspupille, in der Regel etwa 20 bis 25 Millimeter. Augenabstand ist die Entfernung von der letzten optischen Fläche zu der Stelle, an der das Auge idealerweise positioniert sein sollte. Diese Abstände müssen sorgfältig kontrolliert werden, um Komfort, Brillenverträglichkeit und Sicherheit zu gewährleisten.

Eng verwandt ist die Augenbox, der den Bereich der Augenpositionen definiert, in dem das gesamte Bild sichtbar bleibt. Eine gut gestaltete Eyebox ermöglicht natürliche Augenbewegungen ohne Bildausschnitte oder Verzerrungen. Die Messtechnik muss sowohl die Größe als auch die Lage dieses Bereichs messen, um einen gleichbleibenden Komfort für verschiedene Benutzer zu gewährleisten.

Schließlich muss das System den Gleichgewichtssinn des Körpers respektieren. vestibulären Sinndas für das Gleichgewicht und das räumliche Bewusstsein zuständig ist. Wenn die visuellen Signale eines Auges oder beider Augen nicht richtig ausgerichtet sind, kann das Gehirn dies als widersprüchliche Bewegungsinformationen interpretieren, was zu Unbehagen oder Reisekrankheit führt. Eine genaue Messung hilft, diese sensorischen Unstimmigkeiten zu vermeiden.

Eintauchen

Immersion definiert, wie real und nahtlos sich das virtuelle Erlebnis anfühlt. Eine hochgradig immersive NED hält digitale Inhalte stabil, reaktionsschnell und visuell überzeugend.

Das Sichtfeld (FOV) trägt wesentlich zur Immersion bei. Ein breiteres Sichtfeld füllt einen größeren Teil des visuellen Raums des Benutzers aus und verbessert die Präsenz, aber es bringt oft Nachteile mit sich, wie z.B. eine geringere Auflösung oder eine kleinere Augenbox. Die Messtechnik ist unerlässlich, um diese Kompromisse zu verstehen und auszugleichen.

Auflösung und Bildschärfe sind ebenfalls entscheidend für die visuelle Qualität. Wenn die Pixeldichte zu niedrig ist, kann der Benutzer den Screen-Door-Effekt bemerken, bei dem einzelne Pixel oder Lücken zwischen Pixeln sichtbar werden. Bei augennahen Displays wird die Auflösung oft mit Bildpunkte pro Grad (PPD)Dieser Wert gibt an, wie viele Pixel innerhalb eines Grades des Sichtfeldes des Benutzers zu sehen sind.

PPD ist einer der wichtigsten Leistungsindikatoren für AR- und VR-Systeme, da höhere PPD-Werte im Allgemeinen zu schärferen Bildern und einem natürlicheren Seherlebnis führen.

Messsysteme bewerten die Auflösung und die Klarheit des Bildes mit Hilfe von Tools wie der MTF-Analyse (Modulation Transfer Function), mit der sich feststellen lässt, wie gut feine Details im optischen System erhalten bleiben. Durch die Kombination von PPD-Messungen mit der MTF-Analyse können Ingenieure besser beurteilen, ob ein Bildschirm eine ausreichende Schärfe für eine komfortable und immersive Nutzung bietet.

Luminanz und Kontrast beeinflussen den Realismus und die Lesbarkeit stark. Ein hoher Kontrast ist für tiefe Schwarztöne in immersiven Bildschirmen erforderlich, während durchsichtige AR-Systeme sicherstellen müssen, dass digitale Inhalte vor hellen, komplexen Hintergründen in der realen Welt sichtbar bleiben.

Latenzzeit ist ein weiterer für die Immersion wichtiger Parameter. Jede spürbare Verzögerung zwischen Kopfbewegung und Bildaktualisierung kann das Gefühl der Anwesenheit zerstören und sogar Reisekrankheit verursachen. Die präzise Messung stellt sicher, dass das System schnell und konsistent reagiert.

Für durchsichtige Displays, Tiefenschärfe wird besonders wichtig. Die Benutzer müssen in der Lage sein, sowohl die digitalen Elemente als auch die physischen Objekte klar zu sehen, ohne ihre Augen ständig neu fokussieren zu müssen, da sonst die Immersion schnell zusammenbricht.

Gemeinsame Anwendungen von NEDs

NEDs sind eine Kerntechnologie, die hinter vielen metaversen Erfahrungen steht. Sie verwenden fortschrittliche Optik, um sehr kleine Bildschirme viel größer und weiter entfernt erscheinen zu lassen, als sie es tatsächlich sind. Je nachdem, wie sie mit der realen Welt um den Benutzer herum interagieren, werden NEDs im Allgemeinen unterteilt in immersiv und durchsichtige Systeme, die jeweils für unterschiedliche Anwendungsfälle und Erfahrungen entwickelt wurden.

Immersiver Bildschirm

Immersive Displays sind so konzipiert, dass sie die physische Welt vollständig ausblenden und durch eine digitale Umgebung ersetzen. Dieser Ansatz wird üblicherweise verwendet, wenn volle visuelle Konzentration und Immersion das Ziel sind.

• Virtuelle Realität (VR) Headsets bieten in der Regel ein weites Sichtfeld, oft 90 Grad oder mehr, und verwenden separate Bilder für jedes Auge, um ein starkes Gefühl von Tiefe und Präsenz zu erzeugen.
• Kino Brille sich mehr auf den Medienkonsum konzentrieren. Sie bieten in der Regel ein engeres Sichtfeld, etwa 30 bis 60 Grad, und sind eher dazu gedacht, einen großen virtuellen Bildschirm zu simulieren als eine vollständig interaktive Umgebung.

Durchsichtiges Display

Durchsichtige DisplaysDie reale Welt bleibt hingegen sichtbar, während digitale Inhalte darüber gelegt werden. Anstatt die Realität zu ersetzen, ergänzen sie diese mit nützlichen oder kontextbezogenen Informationen.

• Erweiterte Realität (AR) Geräte überlagern Grafiken, Text oder virtuelle Objekte direkt im Blickfeld des Benutzers, typischerweise innerhalb eines Sichtfeldes von 20 bis 60 Grad. Viele AR-Systeme basieren auf Wellenleiter-basierte Optikdie es ermöglichen, die Display-Komponenten diskret an der Seite des Kopfes zu platzieren, während die Linsen transparent bleiben.
• Intelligente Brille wählen Sie einen leichteren Ansatz. Sie füllen nicht das gesamte Sichtfeld des Benutzers aus, sondern zeigen kleine Displays in der Peripherie an, so dass der Benutzer nur bei Bedarf einen Blick auf die Informationen werfen kann.

Anwendungsfälle für Industrie und Verbraucher

Augennahe Displays werden sowohl im Industrie- als auch im Verbrauchermarkt in großem Umfang eingesetzt, wobei in beiden Bereichen unterschiedliche Prioritäten gesetzt werden.

Andere Anwendungen

Zusätzlich zu VR und AR spielt die NED-Technologie auch eine wichtige Rolle bei Mixed Reality (MR) und Head-Up-Displays (HUDs). Auch wenn sie oberflächlich betrachtet ähnlich aussehen, dienen diese beiden Anwendungen sehr unterschiedlichen Zwecken und Umgebungen.

Mixed Reality (MR) geht über AR hinaus, indem es reale und virtuelle Objekte in Echtzeit interagieren lässt. Anstatt einfach nur Grafiken zu überlagern, verstehen MR-Systeme die physische Umgebung, einschließlich Oberflächen, Tiefe und Objektpositionen. Dadurch können sich virtuelle Inhalte natürlich verhalten, z. B. auf einem echten Tisch sitzen oder auf Benutzeraktionen reagieren. Aufgrund dieser Realitätsnähe wird MR in der Ausbildung, bei Designprüfungen, bei der Zusammenarbeit aus der Ferne und bei industriellen Simulationen eingesetzt, bei denen eine genaue Tiefenwahrnehmung, eine geringe Latenz und eine stabile Ausrichtung für Komfort und Effektivität unerlässlich sind.

Head-Up-Displays (HUDs) verwenden Sie Near-Eye-Display Prinzipien auf eine gezieltere Art und Weise, indem wichtige Informationen direkt in das vordere Sichtfeld des Benutzers projiziert werden. HUDs werden häufig in Fahrzeugen und Flugzeugen eingesetzt und zeigen Daten wie Geschwindigkeit, Navigation oder Fluginformationen an, ohne dass der Benutzer den Blick abwenden muss. HUDs verbessern das Situationsbewusstsein, verringern die Ablenkung und erhöhen die Sicherheit, indem sie die wesentlichen Informationen mit der realen Ansicht in Einklang bringen.

Bauen Sie Präzision für die nächste Generation von augennahen Displays

Mit der Weiterentwicklung von NED-Systemen in Richtung höherer Pixeldichten, breiterer Sichtfelder und kompakterer optischer Architekturen werden die Grenzen herkömmlicher Display-Messverfahren immer deutlicher. Viele der Herausforderungen bei modernen NEDs liegen nicht mehr allein in der Auflösung, sondern darin, wie sich Licht über komplexe optische Pfade verhält und wie dieses Verhalten vom menschlichen Auge wahrgenommen wird.

Unter UPRtekUnsere Arbeit in der NED-Messtechnik basiert auf den physikalischen Eigenschaften des Lichts und deren Wechselwirkung mit der augennahen Optik. Wir konzentrieren uns auf praktische Messherausforderungen wie das Farbverhalten außerhalb der Achse, die spektrale Konsistenz über die Augenbox hinweg und die Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte unter realen Betrachtungsbedingungen – Faktoren, die sich direkt auf den Sehkomfort und die Benutzerfreundlichkeit auswirken, aber mit allgemeinen Testmethoden oft schwer zu erfassen sind.

Anstatt ein einheitliches Messmodell anzuwenden, unterstützen wir kundenspezifische Messansätze, die spezifische optische Designs, Augenhöhlengeometrien und Nutzungsszenarien berücksichtigen. Dies trägt dazu bei, dass die im Labor gesammelten Messdaten auch dann noch relevant sind, wenn sie auf reale Wearable-Systeme übertragen werden, bei denen Komfort, Stabilität und Konsistenz ebenso wichtig sind wie die reine Leistung.

Wenn Sie einen tieferen Einblick in die Anwendung dieser Prinzipien in der Praxis erhalten möchten, lesen Sie unsere Fallstudie über KI-Smart Glasses der nächsten Generation, oder kontaktieren Sie unser Team um messtechnische Überlegungen für Ihr Near-Eye-Display-Design zu besprechen.

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