2019年10月19日 | 沉浸感好不好关键看AR显示器？一文看懂AR显示器工作原理

由于科幻电影的影响（《钢铁侠》和《星际迷航》等等），人们一直在憧憬着全息光学透镜的出现。那么增强现实显示器的工作原理是什么呢？游戏开发者 Aaron Yip 在 Quora（国外著名问答网站）进行了解答，下面是整理的文字。

先让我们从基础开始。我们有这些部分透明的显示器，可把数字影像与真实世界相混合。光线需要在一定东西上反弹以重定向到你的眼睛。在现实世界，我们已经得到重定向的光线。对于数字世界，我们需要创建人工光线（例如通过 LED，OLED），然后重定向它们。将生成的计算机图像与真实世界结合的光学装置称为“组合器 ”（Combiner）。 基本上，组合器的工作原理类似于部分反射镜，即重定向显示光，并选择性地让光从真实世界通过。这很简单。

光学硬件解决方案可以分为两类：常规 HMD 光学组合器和新兴波导组合器。这两者都非常不同，有着非常不同的权衡。

自上世纪 60 年代以后便出现了透视显示器。因此，这产生了许多不同的光学技术，但基本上都是分辨率、视场、眼盒、图像质量、硬件重量 / 适配、形状参数和其他特征之间的权衡。在理想情况下，每个人都希望时尚轻便的眼镜，有着 200×100 度的视场（匹配人眼），以及由《钢铁侠》主角托尼·史塔克发明的完美图像质量。但由于头显 / 近眼显示器等等存在物理和光学的限制，使得这在可预见的未来中成为不切实际的幻想。所以我们需要思量上述提到的权衡。

光学硬件完全在于权衡

传统的组合器可产生合理的透视和成像质量，具有一致的性能和得益于几十年供应链发展而带来的所能负担得起的材料。下图是两个常见的实现方式：作为平面组合器示例的偏振光束组合器（左上）；作为弯曲组合器示例的离轴组合器（右上）。

偏振光束组合器的实例包括谷歌眼镜，以及爱普生、瑞芯微（Rockchip）和台湾工业技术研究院的智能眼镜。分束器可以使用 LCOS（硅基液晶）微型显示器进行偏振，例如谷歌眼镜；或者仅使用简单的半色调反射镜。可惜的是，由于组合器的重量和尺寸限制，基于偏振光束组合器的显示器的视场通常较小，并且可能存在光束分离导致的附加模糊，造成分辨率较低。谷歌眼镜的视场为 13 度 FOV，而爱普生 BT-300 为 23 度，分辨率是 1280×720。两者都处于消费者显示器可接受范围的低端。然而，更大的 FOV 和 / 或分辨率将需要更大和更重的硬件。

优点：轻、小、相对实惠（500 美元 -700 美元左右）

缺点：有限的视场和分辨率，难以改进。

离轴、半球形组合器的最佳现代示例是 Meta 2。与其他品种的小型和轻型组合器不同，Meta 倾向于更大的 FOV 和显示分辨率。他们推出单个 OLED 平板以支持“几乎 90 度 FOV”和 2560×1440 像素。然而，他们的硬件体积巨大，跟 VR 头显（如 Oculus 和 HTC Vive）相似。另外的问题包括较低的角分辨率（较少细节 / 图像不够清晰），以及组合器的塑料材料如何维持其质量（例如，随着时间的推移轻微的抖动会得到强化，可能导致最终的视觉假象）。但这是他们为降低成本而做出的选择。弯曲组合器另一个更早的实例是 Link 的 Advanced Helmet Mounted Display。

优点：宽视场和高分辨率，相对实惠（900 美元左右）

缺点：大而笨重，较低的角分辨率，材料质量风险。正如你所看到的，试图在 FOV 和分辨率上改进传统组合器意味着更小的眼盒，更厚的组合器光学组件，更大的组合器，和 / 或更差的成像质量。它跟计算性能限制无关，而是跟光在硬件上的表现特性有关。

为了解决这一硬性权衡问题，新技术正在采用非常规技术，如全息和衍射光学。这些技术使用所谓的波导光栅或波导全息图逐渐提取由波导管中全内反射（TIR）引导的准直图像。波导管是用玻璃或塑料制作而成的薄片，光被会在其中反射通过。实际上，你可以把波导想象成一个在你眼睛前面传输图像的路由器。

波导是技术上最复杂的透视光学元件，它们同样难以设计。然而这些并非是全新的概念。自 80 年代初以来，人们一直在探索光学波导。从那时起，像索尼（图二）、柯尼卡美能达（上图），诺基亚 / 微软（下图），Magic Leap 等公司都在研究各种波导组合器。

例如，表面倾斜的亚波长光栅通常是用于 Microsoft Hololens 的假定实现形式。在这里，波导具有一系列呈线性阵列的非常精细的结构（跟光波长接近）。该衍射光栅会像透镜一样弯曲光线，直到其射向眼睛。这个过程的愉快结果是“瞳孔扩张”，出射光可以轻微扩散以增加其 FOV。

总而言之，最先进的波导技术可能会在 1920×1080 分辨率下接近 32Hx18V 度的 FOV，可能没有传统组合器解决方案那样的体积和重量。Magic Leap 的专利表明其技术渴望接近 120Hx80V 度的水平 FOV，但或许最终是接近于 50-55 度的 FOV。与传统的方法相比，Magic Leap 的技术可能更具前景，或者说至少可以有更多的炒作。但他们到目前为止并未给出太多的演示证明。另外，波导组合器也存在挑战。

首先，波导需要非常高的精度，而诸如光聚合物、重铬酸盐明胶、卤化银等精细体积的全息介质会根据环境温度、湿度和 / 或压力而改变。第二，角分辨率随着更多的扩散而衰减（即，FOV 与成像细节的权衡）。最后，相关技术的供应链尚未建立，因此大规模生产存在困难，而且成本高昂。更不用说两家公司高达 10 亿美元+持续的研发成本。

优点：有可能在中型尺寸的设备上实现更高的视场和分辨率。

缺点：昂贵（预计在 3000 美元或以上），技术仍需积极地改进。

总括而言，本文讨论的主要是已经被证明和已经经过相对大量探索的传统技术，以及存在大量炒作的实验性技术。个人而言，我认为存在对波导技术的不信任很合理，毕竟目前仍然没有任何公开的 demo 演示证明其效果更优于传统的组合器。另一方面，我同样也认为这些巨额投资很合理。

受到科幻作品影响的消费者对大部分 / 所有的传统组合器硬件无动于衷。在过去五十年的光学发展中，AR 只是作为利基产品。传统的组合器（例 ODG 眼镜）中可能还有一些有趣的改进，但对微软和 Magic Leap 而言，波导技术是 AR 光学的登月项目，有希望被大众市场接受。