VR和AR究竟是什么呢？

VR 指虛擬現(xiàn)實(shí)，是通過(guò)顯示系統(tǒng)使用戶身臨其境感受虛擬環(huán)境的設(shè)備。AR是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是將虛擬環(huán)境信息與真實(shí)環(huán)境“無(wú)縫”融合的一種技術(shù)。比如漫威超級(jí)英雄鋼鐵俠的頭盔能夠顯示各種可視化信息，鋼鐵俠可以通過(guò)這些輔助信息更精準(zhǔn)地?fù)魯?duì)手。這個(gè)看起來(lái)無(wú)比酷炫的頭盔使用的正是AR技術(shù)。

我們?cè)?a target="_blank">科普欄目《喵芯球》中，也詳細(xì)介紹了AR/VR/MR的區(qū)別。(點(diǎn)擊查看）

而與VR技術(shù)相比，AR對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求更高。AR雖然多為商用，但目前也在蓄勢(shì)待發(fā)向消費(fèi)端進(jìn)軍，比如現(xiàn)在市面上比較多的AR產(chǎn)品──AR眼鏡，光學(xué)顯示是AR眼鏡的核心技術(shù)。AR產(chǎn)品的價(jià)格普遍都比較高，對(duì)于硬件成本超過(guò)1000美金的AR產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，光學(xué)與顯示成本占比最高，約40%。

目前市面上有多種光學(xué)方案，從棱鏡、自由曲面、到BB，再到光波導(dǎo)等。隨著超透鏡技術(shù)的日趨成熟，AR眼鏡的光學(xué)性能與輕量化都將得到更好的優(yōu)化，本期我們將淺談AR系統(tǒng)中的光學(xué)顯示技術(shù)。

AR光學(xué)系統(tǒng)如何運(yùn)作？

通常，AR光學(xué)系統(tǒng)包括光源（顯示器）、接收器（眼睛）和光學(xué)元件（透鏡）。

• 微型顯示器是AR的光源，例如有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。雙目頭顯通常有兩個(gè)顯示器，通過(guò)向雙眼提供不同的圖像來(lái)呈現(xiàn)立體效果，從而讓用戶產(chǎn)生3D感知。在全息頭顯中，光源是來(lái)自空間光調(diào)制器（SLM）的調(diào)制相干光。現(xiàn)實(shí)世界的光源則是視場(chǎng)內(nèi)物體所散射或發(fā)射的光。
• 接收器就是用戶的眼睛。
• 光學(xué)元件將來(lái)自微型顯示器的光與來(lái)自現(xiàn)實(shí)世界的光相融合，并將（來(lái)自微型顯示器的）增強(qiáng)信息投射到現(xiàn)實(shí)世界中。在下面圖1所示的示例中，微型顯示器發(fā)出的光線穿過(guò)光束整形透鏡、耦合棱鏡、光學(xué)透鏡和自由曲面圖像組合器后，在距AR眼鏡一定距離處完成成像。因此人眼通過(guò)光學(xué)透鏡看到了真實(shí)場(chǎng)景和虛擬圖像（增強(qiáng)信息） 融合后的畫面。

▲圖1：AR眼鏡示意圖（經(jīng)許可后轉(zhuǎn)載。 The Optical Society）

（a） 擬設(shè)系統(tǒng)中AR圖像的側(cè)視圖和光束路徑。光學(xué)透鏡既可用于圖像校正，也可用于AR圖像的波導(dǎo)。微型顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光束整形透鏡折射后，通過(guò)耦合棱鏡進(jìn)入光學(xué)透鏡，并在距透鏡一定距離處形成放大的虛擬圖像

（b） AR眼鏡中幾何參數(shù)的詳細(xì)示意圖

（c） 光學(xué)元件的3D圖

AR頭顯設(shè)計(jì)考慮因素

在頭顯中，像差對(duì)圖像質(zhì)量的影響與其他光學(xué)系統(tǒng)中相似。軸向色差、球差、彗差、像散和場(chǎng)曲等像差會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。畸變、彗差和橫向色差等像差會(huì)導(dǎo)致圖像扭曲。像差控制在AR 頭顯光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中非常重要。圖2顯示了一個(gè)全反射自由曲面設(shè)計(jì)示例，其中（a）顯示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，（b）顯示了測(cè)試對(duì)象，（c）提供了初始系統(tǒng)的圖像仿真結(jié)果，而（d）顯示了優(yōu)化后的圖像。在這個(gè)示例中，我們可以了解優(yōu)化在減少像差和畸變方面的能力。

▲圖2：全反射自由曲面設(shè)計(jì)仿真

由于做到FOV和人眼的分辨率匹配頗具挑戰(zhàn)性，因此通常需要根據(jù)具體的要求來(lái)權(quán)衡FOV、重量（光學(xué)元件的體積、數(shù)量）、分辨率、光瞳大小（眼動(dòng)范圍）、眼睛間隙和微型顯示器尺寸。其中的一些權(quán)衡可以通過(guò)技術(shù)改進(jìn)來(lái)解決。下文列出了一些可能的解決方案：FOV和分辨率之間的權(quán)衡可通過(guò)嵌入式高分辨率圖像、部分雙目重疊、空間分塊，時(shí)間分割，以及衍射級(jí)分塊來(lái)解決。FOV和光瞳大小之間的權(quán)衡可通過(guò)將出射光瞳復(fù)制到陣列中并采用眼動(dòng)追蹤設(shè)備來(lái)解決。

AR光學(xué)系統(tǒng)

在現(xiàn)實(shí)世界中有哪些應(yīng)用？

AR技術(shù)的日漸成熟，推動(dòng)了汽車抬頭顯示器的創(chuàng)新，AR-HUD 將AR與HUD相結(jié)合，仍以擋風(fēng)玻璃為媒介，但所生成的圖像能在更大，更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行投射，成像也更為生動(dòng)，提升人機(jī)交互體驗(yàn)。除此以外，AR的發(fā)展還能用于以下場(chǎng)景：

• 手術(shù)操作幫助和指導(dǎo)。
• 作戰(zhàn)輔助。
• 3D架構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)輔助。
• 社交，同時(shí)與現(xiàn)實(shí)和虛擬觀眾互動(dòng)。
• 娛樂(lè)，包括涉及現(xiàn)實(shí)環(huán)境的游戲和介紹歷史場(chǎng)景或時(shí)間演變的旅游活動(dòng)。
• 教育培訓(xùn)，對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行更多標(biāo)注，幫助學(xué)生獲取更多知識(shí)。

• 使用CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模，追蹤光學(xué)系統(tǒng)的光線路徑，優(yōu)化系統(tǒng)以減少像差和畸變并提高分辨率（圖3），
• 開(kāi)發(fā)者可以將得到的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到LightTools后對(duì)照明、雜散光和鬼影進(jìn)行建模分析，也可用于優(yōu)化照明均勻度（圖4）。

• 用RSoft 光子器件工具進(jìn)行光柵設(shè)計(jì)（圖5）：衍射光柵將光耦合到波導(dǎo)板中，然后再耦合到人眼中。合理的光柵設(shè)計(jì)能使光學(xué)系統(tǒng)生成出色的圖像。在光柵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，開(kāi)發(fā)者可以基于任何級(jí)次或級(jí)次組合的衍射角、效率等來(lái)優(yōu)化光柵。光柵構(gòu)建完畢后，開(kāi)發(fā)者可直接將雙向散射分布函數(shù)（BSDF）信息和布局文件導(dǎo)出到LightTools來(lái)定義曲面特性。所有衍射特性都會(huì)包含在RSoft BSDF文件中，其中包括曲面（薄膜、圖案等）的光散射相關(guān)信息。