從整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）裝置包括三個(gè)主要部分。首先是演示或顯示（presentation or display），再者是人機(jī)界面與機(jī)器傳感（user interface and machine sensing）。能夠傳感真實(shí)世界，并且予以數(shù)字化的傳感器對(duì)高端的AR裝置尤為重要。第三個(gè)部份是運(yùn)算與通訊（computing and communication）。要為VR、AR或混合現(xiàn)實(shí)（MR）渲染出電腦圖像（computer-generated objects），運(yùn)算性能必不可少；運(yùn)算的處理器可以是穿戴式裝置本身，或是利用連接（tethering）的手機(jī)或是個(gè)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(yàn)。

人機(jī)接口和機(jī)器傳感可以利用現(xiàn)有的傳感器技術(shù)。然而，將現(xiàn)實(shí)世界（或是使用裝置時(shí)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。特別是用戶與裝置在現(xiàn)實(shí)世界還有物理移動(dòng)時(shí)，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM, simultaneous localization and mapping）可能也會(huì)設(shè)計(jì)加入。三維深度感測(cè)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(shí)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裝置可能不需要追蹤或數(shù)字化真實(shí)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(shí)的環(huán)境與需求來決定。穿戴式VR裝置通常會(huì)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(yàn)（immersion）。同時(shí)，也正因?yàn)檫@種封閉的情境，使得顯示時(shí)的考慮因素相對(duì)于AR來得簡單些。穿戴式AR裝置使用時(shí)主要的干擾來自環(huán)境光（可能超過800 nits），或現(xiàn)實(shí)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(shí)。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(duì)象相混淆。對(duì)于采用「直接可視」（OST, optical see-through）的AR設(shè)備設(shè)計(jì)來說，現(xiàn)實(shí)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裝置設(shè)計(jì)），現(xiàn)實(shí)世界是通過設(shè)備的前方鏡頭拍攝進(jìn)入后，透過裝置的影像運(yùn)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裝置有各自不同的應(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(shí)，用戶在現(xiàn)實(shí)世界中的移動(dòng)能力、識(shí)別能力都會(huì)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(duì)顯示技術(shù)的需求并不完全相同。另外，相對(duì)于VR需要穿戴產(chǎn)生封閉情境，AR的產(chǎn)生并不一定都仰賴穿戴式裝置，智能手機(jī)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(duì)于VR顯示器，智能手機(jī)上已經(jīng)相當(dāng)普遍的TFT LCD和AMOLED均適用于VR裝置。不過，也有一些裝置廠商采用 “硅基OLED”（OLEDoS, OLED on silicon or micro OLED），OLEDoS有基于半導(dǎo)體CMOS硅的驅(qū)動(dòng)電路，而不是基于TFT線路。因此，OLEDoS有機(jī)會(huì)在解析度與大小上比AMOLED有更好的規(guī)格。VR顯示器設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(xiàng)重要的規(guī)格，因?yàn)榇蠖鄶?shù)VR應(yīng)用的內(nèi)容是3D運(yùn)算渲染出來的電腦圖像。通常VR顯示屏?xí)?qiáng)調(diào)90Hz或是120Hz的刷新率（refresh rate）。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)VR裝置時(shí)，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(jì)的3.5吋1440x1600 AMOLED，更受歡迎的第二代卻是單屏設(shè)計(jì)5.5吋3664x1920 LTPS TFT LCD，借此將成本與售價(jià)降低與提高市場(chǎng)滲透率。下一代的高階產(chǎn)品可能又回復(fù)到雙屏設(shè)計(jì)。

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(jī)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(shí)際的光學(xué)設(shè)計(jì)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(dāng)不同的。早期的AR顯示光學(xué)設(shè)計(jì)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(dāng)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裝置時(shí)，影像顯示來自微型顯示器發(fā)射；然后光線被引導(dǎo)進(jìn)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(shí)看到現(xiàn)實(shí)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(dá)到99%，這樣會(huì)使得微弱的光線在現(xiàn)實(shí)世界的強(qiáng)光反差之下更顯得微弱、不明，因此，高亮度對(duì)AR顯示器至關(guān)重要?？偟膩碚f，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(dāng)成熟。這是因?yàn)橐呀?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：可穿戴裝置的顯示設(shè)計(jì)

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)用于穿戴式裝置、成為微型顯示器的制作難度與精度，絕對(duì)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(jī)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(shí)。當(dāng)然，更重要的是當(dāng)前的穿戴式AR裝置出貨量實(shí)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(gè)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(jí)與TFT顯示器行業(yè)完全不可同日而語。為了促進(jìn)采用和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展，一些制造商相互合作，同時(shí)提供包含顯示、光學(xué)和裝置的參考設(shè)計(jì)，以鼓勵(lì)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(gè)組合。LEDoS的優(yōu)勢(shì)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(jī)會(huì)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(duì)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(xì)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(jì)，但其亮度值對(duì)于通過波導(dǎo)光學(xué)元件的AR設(shè)備（開放式設(shè)計(jì)）來說可能太低。LCoS、LBS和DMD雖然光機(jī)相對(duì)于LEDoS與OLEDoS較大，但是很重要的優(yōu)點(diǎn)就是彩色化與高亮度實(shí)現(xiàn)是可行的，三者均可以通過激光光源來提高亮度值。

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

相對(duì)于LEDoS技術(shù)上尚待進(jìn)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(dòng)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(dòng)顯示面板，而面板廠則負(fù)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(shí)設(shè)計(jì)DDI和顯示像素（display pixels）電路。然后，OLEDoS面板廠則僅負(fù)責(zé)在晶圓上進(jìn)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(shí)位在一顆芯片（die）上，成為了一種單芯片設(shè)計(jì)，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(jì)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(fù)責(zé)全部設(shè)計(jì)與制造，從DDIC到顯示像素電路。這可能是一個(gè)單芯片或是雙芯片解決方案，并強(qiáng)調(diào)了面板廠在供應(yīng)鏈中的價(jià)值。關(guān)于單芯片或雙芯片的OLEDoS仍有爭(zhēng)論。通常，DDIC電路需要更高級(jí)別的半導(dǎo)體工藝制程，如28nm或40nm，特別是當(dāng)解析度進(jìn)一步拉高時(shí)。但顯示像素電路則可能使用較低級(jí)別的工藝制程就可以滿足，如90nm或um級(jí)。如果兩者的半導(dǎo)體工藝差距過大，單芯片設(shè)計(jì)不一定比雙芯片設(shè)計(jì)更有成本效益。

目前VR裝置的出貨量明顯高于AR裝置，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(fèi)性市場(chǎng)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(fèi)者都有興趣長時(shí)間戴上厚重的裝置，進(jìn)入一個(gè)虛擬世界里。對(duì)于AR市場(chǎng)的騰飛起點(diǎn)，知名品牌將起最重要的作用。穿戴式AR裝置系統(tǒng)可能比智能手機(jī)更為復(fù)雜，無論是顯示、光學(xué)還是運(yùn)算。而另一方面，用戶卻未必愿意接受與高階智能手機(jī)一樣的價(jià)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(jìn)而拉動(dòng)整個(gè)生態(tài)體系與供應(yīng)鏈的成長。