将 VR 推向人眼极限的技术

大型科技公司渴望让我们对元宇宙的到来感到兴奋，但今天的虚拟现实硬件距离实现他们雄心勃勃的目标还有很长的路要走。 最大的挑战之一是构建每英寸像素更多的更好显示器，但专家表示，新材料和设计正在开发中。

硅谷正在押注数十亿美元，互联网即将经历自智能手机问世以来的最大转变。 很快，大多数人将通过可穿戴耳机访问网络，将我们带入虚拟世界，而不是通过点击触摸屏。

然而，今天，虚拟现实和增强现实仍然相当初级。 虽然 Meta、Microsoft、Google 和 Magic Leap 等公司已经在销售虚拟和增强现实头戴设备，但迄今为止他们发现的用例有限，而且他们提供的体验仍远低于我们所期望的高清标准来自数字娱乐。

最大的限制之一是当前的显示技术。 在 VR 头显中，屏幕距离我们的眼前只有几厘米，因此它们需要将大量像素打包到一个非常小的空间中，才能达到您对最新 4K 电视可能期望的清晰度。

这对于今天的显示器来说是不可能的，但在上周发表在《科学》杂志上的观点中，来自三星和斯坦福大学的研究人员表示，新兴技术可能很快让我们接近像素密度的理论极限，从而推出功能强大的新型 VR 耳机。

提高显示器性能的努力变得复杂，因为这直接与另一个关键目标竞争：使显示器更小、更便宜、更节能。 今天的设备成交量庞大且笨重，限制了它们的佩戴时间和使用环境。

今天头显如此庞大的一个主要原因是它们配备的光学元件阵列以及需要在它们和显示器之间保持足够的空间以正确聚焦光线。 作者说，虽然新的紧凑型镜头设计和超表面（具有独特光学特性的Nano结构薄膜）的使用允许在该领域进行一些小型化，但这可能已经达到了极限。

全息透​​镜和“PancakeSwap透镜”等新颖设计涉及在不同塑料或玻璃片之间反射光线，可以帮助将透镜到显示器的距离减少两到三倍。 但是这些交互中的每一个都会降低图像的亮度，这需要通过更强大和更高效的显示器来补偿。

还需要更好的显示器来解决当今设备的另一个重要限制：分辨率。 超高清电视显示器可以在大约 10 英尺的距离处实现大约 200 像素/度 (PPD) 的像素密度，远远超过人眼可以分辨的大约 60 PPD。 但由于 VR 显示器距离观看者的眼睛最多一到两英寸，它们只能达到 15 PPD 左右。

作者说，为了匹配人眼的分辨率限制，VR 显示器需要在每英寸显示器中压缩 7,000 到 10,000 个像素。 就上下文而言，最新的智能手机屏幕每英寸只能管理大约 460 像素。

尽管差距很大，但已经有明确的途径可以缩小差距。 目前，大多数 VR 头戴设备都使用独立的红、绿、蓝有机发光二极管 (OLED)，由于制造工艺的原因，很难做得更紧凑。 但另一种在白色 OLED 中添加彩色滤光片的方法可以实现 60 PPD。

依靠过滤有其自身的挑战，因为它会降低光源的效率，导致亮度降低或功耗增加。 但是，一种被称为“元 OLED”的实验性 OLED 设计可以通过将光源与Nano图案反射镜相结合来解决这个问题，Nano图案反射镜利用共振现象仅从特定频率发射光。

Meta-OLEDS 有可能实现超过 10,000 PPD 的像素密度，接近光波长设定的物理极限。 与前几代相比，它们还可以更高效并改善色彩定义。 然而，尽管显示技术公司对此非常感兴趣，但该技术仍处于起步阶段，可能离商业化还有更远的距离。

这组作者说，最有可能的近期显示器创新是利用人类生物学的一个怪癖。 眼睛只能分辨视网膜中央区域（称为中央凹）的 60 PPD，周边区域的敏感度显着降低。

如果可以准确跟踪眼球运动，那么您只需要在用户正在查看的显示器的特定部分中呈现最高清晰度。 虽然眼睛和头部跟踪所需的改进增加了设计的额外复杂性，但作者说这可能是最快会发生的创新。

重要的是要记住，如果 VR 要广泛商业化，除了更好的显示器之外，还有许多问题需要解决。 特别是，为这些头戴式耳机供电带来了电池容量和车载电子设备散热能力方面的复杂挑战。

此外，研究人员讨论的显示技术主要与 VR 相关，而不是 AR，AR 头显可能依赖于非常不同的光学技术，不会模糊佩戴者对现实世界的看法。 不过，无论哪种方式，虽然似乎距离更身临其境的虚拟体验还有一段路要走，但让我们到达那里的路线图已经到位。

图片来源：Harry Quan / Unsplash