沉浸感好不好關(guān)鍵看AR顯示器？一文看懂AR顯示器工作原理

由于科幻電影的影響（《鋼鐵俠》和《星際迷航》等等），人們一直在憧憬著全息光學(xué)透鏡的出現(xiàn)。那么增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器的工作原理是什么呢？游戲開(kāi)發(fā)者Aaron Yip在Quora（國(guó)外著名問(wèn)答網(wǎng)站）進(jìn)行了解答，下面是整理的文字。

先讓我們從基礎(chǔ)開(kāi)始。我們有這些部分透明的顯示器，可把數(shù)字影像與真實(shí)世界相混合。光線(xiàn)需要在一定東西上反彈以重定向到你的眼睛。在現(xiàn)實(shí)世界，我們已經(jīng)得到重定向的光線(xiàn)。對(duì)于數(shù)字世界，我們需要?jiǎng)?chuàng)建人工光線(xiàn)（例如通過(guò)LED，OLED），然后重定向它們。將生成的計(jì)算機(jī)圖像與真實(shí)世界結(jié)合的光學(xué)裝置稱(chēng)為“組合器 ”（Combiner）。 基本上，組合器的工作原理類(lèi)似于部分反射鏡，即重定向顯示光，并選擇性地讓光從真實(shí)世界通過(guò)。這很簡(jiǎn)單。

光學(xué)硬件解決方案可以分為兩類(lèi)：常規(guī)HMD光學(xué)組合器和新興波導(dǎo)組合器。這兩者都非常不同，有著非常不同的權(quán)衡。

自上世紀(jì)60年代以后便出現(xiàn)了透視顯示器。因此，這產(chǎn)生了許多不同的光學(xué)技術(shù)，但基本上都是分辨率、視場(chǎng)、眼盒、圖像質(zhì)量、硬件重量/適配、形狀參數(shù)和其他特征之間的權(quán)衡。在理想情況下，每個(gè)人都希望時(shí)尚輕便的眼鏡，有著200×100度的視場(chǎng)（匹配人眼），以及由《鋼鐵俠》主角托尼·史塔克發(fā)明的完美圖像質(zhì)量。但由于頭顯/近眼顯示器等等存在物理和光學(xué)的限制，使得這在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)中成為不切實(shí)際的幻想。所以我們需要思量上述提到的權(quán)衡。

光學(xué)硬件完全在于權(quán)衡

傳統(tǒng)的組合器可產(chǎn)生合理的透視和成像質(zhì)量，具有一致的性能和得益于幾十年供應(yīng)鏈發(fā)展而帶來(lái)的所能負(fù)擔(dān)得起的材料。下圖是兩個(gè)常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式：作為平面組合器示例的偏振光束組合器（左上）；作為彎曲組合器示例的離軸組合器（右上）。

偏振光束組合器的實(shí)例包括谷歌眼鏡，以及愛(ài)普生、瑞芯微（Rockchip）和臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院的智能眼鏡。分束器可以使用LCOS（硅基液晶）微型顯示器進(jìn)行偏振，例如谷歌眼鏡；或者僅使用簡(jiǎn)單的半色調(diào)反射鏡?？上У氖?，由于組合器的重量和尺寸限制，基于偏振光束組合器的顯示器的視場(chǎng)通常較小，并且可能存在光束分離導(dǎo)致的附加模糊，造成分辨率較低。谷歌眼鏡的視場(chǎng)為13度FOV，而愛(ài)普生BT-300為23度，分辨率是1280×720。兩者都處于消費(fèi)者顯示器可接受范圍的低端。然而，更大的FOV和/或分辨率將需要更大和更重的硬件。

優(yōu)點(diǎn)：輕、小、相對(duì)實(shí)惠（500美元-700美元左右）

缺點(diǎn)：有限的視場(chǎng)和分辨率，難以改進(jìn)。

離軸、半球形組合器的最佳現(xiàn)代示例是Meta 2。與其他品種的小型和輕型組合器不同，Meta傾向于更大的FOV和顯示分辨率。他們推出單個(gè)OLED平板以支持“幾乎90度FOV”和2560×1440像素。然而，他們的硬件體積巨大，跟VR頭顯（如Oculus和HTC Vive）相似。另外的問(wèn)題包括較低的角分辨率（較少細(xì)節(jié)/圖像不夠清晰），以及組合器的塑料材料如何維持其質(zhì)量（例如，隨著時(shí)間的推移輕微的抖動(dòng)會(huì)得到強(qiáng)化，可能導(dǎo)致最終的視覺(jué)假象）。但這是他們?yōu)榻档统杀径龀龅倪x擇。彎曲組合器另一個(gè)更早的實(shí)例是Link的Advanced Helmet Mounted Display。

優(yōu)點(diǎn)：寬視場(chǎng)和高分辨率，相對(duì)實(shí)惠（900美元左右）

缺點(diǎn)：大而笨重，較低的角分辨率，材料質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。正如你所看到的，試圖在FOV和分辨率上改進(jìn)傳統(tǒng)組合器意味著更小的眼盒，更厚的組合器光學(xué)組件，更大的組合器，和/或更差的成像質(zhì)量。它跟計(jì)算性能限制無(wú)關(guān)，而是跟光在硬件上的表現(xiàn)特性有關(guān)。

為了解決這一硬性權(quán)衡問(wèn)題，新技術(shù)正在采用非常規(guī)技術(shù)，如全息和衍射光學(xué)。這些技術(shù)使用所謂的波導(dǎo)光柵或波導(dǎo)全息圖逐漸提取由波導(dǎo)管中全內(nèi)反射（TIR）引導(dǎo)的準(zhǔn)直圖像。波導(dǎo)管是用玻璃或塑料制作而成的薄片，光被會(huì)在其中反射通過(guò)。實(shí)際上，你可以把波導(dǎo)想象成一個(gè)在你眼睛前面?zhèn)鬏攬D像的路由器。

波導(dǎo)是技術(shù)上最復(fù)雜的透視光學(xué)元件，它們同樣難以設(shè)計(jì)。然而這些并非是全新的概念。自80年代初以來(lái)，人們一直在探索光學(xué)波導(dǎo)。從那時(shí)起，像索尼（圖二）、柯尼卡美能達(dá)（上圖），諾基亞/微軟（下圖），Magic Leap等公司都在研究各種波導(dǎo)組合器。

例如，表面傾斜的亞波長(zhǎng)光柵通常是用于Microsoft Hololens的假定實(shí)現(xiàn)形式。在這里，波導(dǎo)具有一系列呈線(xiàn)性陣列的非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)（跟光波長(zhǎng)接近）。該衍射光柵會(huì)像透鏡一樣彎曲光線(xiàn)，直到其射向眼睛。這個(gè)過(guò)程的愉快結(jié)果是“瞳孔擴(kuò)張”，出射光可以輕微擴(kuò)散以增加其FOV。

總而言之，最先進(jìn)的波導(dǎo)技術(shù)可能會(huì)在1920×1080分辨率下接近32Hx18V度的FOV，可能沒(méi)有傳統(tǒng)組合器解決方案那樣的體積和重量。Magic Leap的專(zhuān)利表明其技術(shù)渴望接近120Hx80V度的水平FOV，但或許最終是接近于50-55度的FOV。與傳統(tǒng)的方法相比，Magic Leap的技術(shù)可能更具前景，或者說(shuō)至少可以有更多的炒作。但他們到目前為止并未給出太多的演示證明。另外，波導(dǎo)組合器也存在挑戰(zhàn)。

首先，波導(dǎo)需要非常高的精度，而諸如光聚合物、重鉻酸鹽明膠、鹵化銀等精細(xì)體積的全息介質(zhì)會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度、濕度和/或壓力而改變。第二，角分辨率隨著更多的擴(kuò)散而衰減（即，F(xiàn)OV與成像細(xì)節(jié)的權(quán)衡）。最后，相關(guān)技術(shù)的供應(yīng)鏈尚未建立，因此大規(guī)模生產(chǎn)存在困難，而且成本高昂。更不用說(shuō)兩家公司高達(dá)10億美元+持續(xù)的研發(fā)成本。

優(yōu)點(diǎn)：有可能在中型尺寸的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更高的視場(chǎng)和分辨率。

缺點(diǎn)：昂貴（預(yù)計(jì)在3000美元或以上），技術(shù)仍需積極地改進(jìn)。

總括而言，本文討論的主要是已經(jīng)被證明和已經(jīng)經(jīng)過(guò)相對(duì)大量探索的傳統(tǒng)技術(shù)，以及存在大量炒作的實(shí)驗(yàn)性技術(shù)。個(gè)人而言，我認(rèn)為存在對(duì)波導(dǎo)技術(shù)的不信任很合理，畢竟目前仍然沒(méi)有任何公開(kāi)的demo演示證明其效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的組合器。另一方面，我同樣也認(rèn)為這些巨額投資很合理。

受到科幻作品影響的消費(fèi)者對(duì)大部分/所有的傳統(tǒng)組合器硬件無(wú)動(dòng)于衷。在過(guò)去五十年的光學(xué)發(fā)展中，AR只是作為利基產(chǎn)品。傳統(tǒng)的組合器（例ODG眼鏡）中可能還有一些有趣的改進(jìn)，但對(duì)微軟和Magic Leap而言，波導(dǎo)技術(shù)是AR光學(xué)的登月項(xiàng)目，有希望被大眾市場(chǎng)接受。