AR光學(xué)構(gòu)成

在上篇文章中，我們了解了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一些光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，本篇文章將簡(jiǎn)要總結(jié)AR光學(xué)的核心構(gòu)成。我們?cè)趶墓鈱W(xué)角度來(lái)看，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示器可以基本上分為三個(gè)基本組件：光引擎（Light engine）、成像光學(xué)（Imaging optics）和耦合器（Combiner）。光引擎負(fù)責(zé)產(chǎn)生并空間調(diào)制形成虛擬圖像的光。一旦光被生成，它會(huì)通過(guò)成像光學(xué)，產(chǎn)生準(zhǔn)直（或幾乎準(zhǔn)直）的光束，使得放松的眼睛能夠聚焦到虛擬圖像上。在光到達(dá)眼睛之前的最后一個(gè)組件：耦合器。它的主要功能是允許環(huán)境中的光傳播到眼睛，同時(shí)提供一個(gè)傳導(dǎo)路徑，將成像光學(xué)中的光引導(dǎo)到眼睛中。如果耦合器具有光學(xué)曲率，它還承擔(dān)一部分成像光學(xué)的發(fā)揮作用。在AR光學(xué)顯示上，這三個(gè)組件的示意圖如圖1所示。

圖1

圖片來(lái)源：Springer Handbook of AR

AR光引擎

正如我們所討論的，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示器其中一個(gè)核心光學(xué)組件是光引擎。這個(gè)組件可以簡(jiǎn)單歸納為兩種形式：

1.微型數(shù)字顯示器（也稱為微顯示器）。

2.單一光源，在眼睛的視場(chǎng)（FOV）上快速掃描。

首先，我們將分析微顯示器及其在AR顯示的一階光學(xué)計(jì)算中所起的關(guān)鍵作用。成像光學(xué)的視場(chǎng)和焦距與微顯示器的物理尺寸之間存在關(guān)系，可以用以下方程表示：

其中，h 是微顯示器的半對(duì)角線，f 是成像光學(xué)的焦距，θ是視場(chǎng)的半對(duì)角線。對(duì)于給定的視場(chǎng)，光學(xué)系統(tǒng)的物理尺寸與焦距成比例；因此，緊湊型光學(xué)系統(tǒng)更匹配短焦成像光學(xué)。較小的焦距會(huì)伴隨使用較小的微顯示器，這對(duì)于封裝體積是有利的。然而，考慮到眼睛孔徑是相對(duì)不變的，緊湊型光學(xué)系統(tǒng)也需要在尺寸與成像效果中找到平衡，因?yàn)檩^小的焦距會(huì)導(dǎo)致更小的光圈數(shù)。在更小的光圈數(shù)下工作可能需要額外的光學(xué)元件來(lái)校正像差。微顯示器尺寸的另一個(gè)主要權(quán)衡在與分辨率。小尺寸的微顯示器在光學(xué)系統(tǒng)中會(huì)限制角分辨率，因?yàn)閷?duì)于顯示屏技術(shù)，可以封裝到給定微顯示器尺寸中的像素?cái)?shù)量往往受限。

根據(jù)顯示光源的來(lái)源，光引擎可以簡(jiǎn)單分為自發(fā)光和外部照明。在自發(fā)光微型顯示器中，像素在不使用外部光源的情況下工作。自發(fā)光微型顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)是其操作的簡(jiǎn)單性和緊湊的封裝。目前，主流的光引擎技術(shù)包括液晶硅（LCoS）、數(shù)字光處理（DLP）、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、微型LED（Micro-LED）以及激光束掃描（LBS）。其中LCoS和DLP是光調(diào)制顯示器，為外部照明微顯技術(shù)。OLED與Micro-LED則為自發(fā)光微型顯示器。LBS則為單一光源，通過(guò)在人眼視場(chǎng)中快速掃描，利用人眼具有視覺暫留現(xiàn)象，最終形成畫面。

LCoS

圖2

圖片來(lái)源：Springer Handbook of AR

LCoS利用電壓誘導(dǎo)的液晶重定向來(lái)調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)，同時(shí)使用像素化的金屬鏡面來(lái)反射調(diào)制后的光。像素化的反射可以通過(guò)在通過(guò)分析器或偏振分束器（PBS）后將相位延遲轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制來(lái)獲得（如圖2）。

DLP

圖3

圖片來(lái)源：LightGate

與LCoS不同，DLP的核心為一個(gè)DMD芯片，每一個(gè)像素均依靠擺動(dòng)的微振鏡將入射光引導(dǎo)到兩個(gè)不同的方向，分別對(duì)應(yīng)開和關(guān)狀態(tài)。DLP的光學(xué)原理可參考圖3。

LBS

圖4

圖片來(lái)源：Springer Handbook of AR

使用微型顯示器的一種替代方案是采用激光束掃描系統(tǒng)（LBS）。不同于微型數(shù)字現(xiàn)實(shí)器，LBS屬于單一光源在視場(chǎng)中快速掃描成像的光引擎在LBS系統(tǒng)中，一個(gè)靜止的準(zhǔn)直激光入射到一個(gè)二維（X/Y）掃描系統(tǒng)上，該系統(tǒng)通常由一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡組成。鏡子的旋轉(zhuǎn)使得激光可以被重新定向到一系列角度，這些角度直接與視場(chǎng)（FOV）相關(guān)（如圖4）。

對(duì)于Micro-LED微顯示器，由于其Lambertian角分布，通常比LCoS具有更大的發(fā)射度。為了縮小Micro-LED的發(fā)散角，一種直接的方法是引入像素級(jí)準(zhǔn)直微透鏡陣列，但挑戰(zhàn)有兩個(gè)方面：制造工藝和光學(xué)串?dāng)_。此外，Micro-LED的發(fā)射區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)小于像素區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)高效的光收集。為了提高像素密度，許多廠家已經(jīng)展示了使用三面合束棱鏡Micro-LED的全彩光引擎如圖5。而MIT則使用二維材料層轉(zhuǎn)移展示了每英寸5100 ppi的垂直堆疊Micro-LED如圖6。前者的挑戰(zhàn)在于需要高精度的像素對(duì)準(zhǔn)，而后者則犧牲了顯示亮度（由于藍(lán)色和綠色吸收體）并需要RGB LED的外延生長(zhǎng)。另一種有前景的自發(fā)光顯示是硅基OLED。然而，其亮度和分辨率密度是目前其在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的瓶頸。

作為單一光源掃描光引擎，LBS可以省略成像光學(xué)元件，但代價(jià)是受限的刷新率和分辨率。并且，由于柵格掃描，閃爍和圖像模糊將成為L(zhǎng)BS顯示難以避免的問(wèn)題。高Q值MEMS諧振器有助于緩解這些問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，激光背光的LCoS很可能成為實(shí)現(xiàn)高效率和高分辨率波導(dǎo)型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的有力競(jìng)爭(zhēng)者。硅基Micro-LED需要進(jìn)一步發(fā)展定向角分布和小型全彩像素尺寸，以為高亮度和高分辨率的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示鋪平道路。要與LCoS和Micro-LED競(jìng)爭(zhēng)，LBS需要在刷新率和分辨率上進(jìn)行重大改進(jìn)。

圖5 圖片來(lái)源：水晶自研Micro-LED光引擎

圖6

圖片來(lái)源：Vertical full-colour micro-LEDs

via 2D materials-based layer transfer

AR光學(xué)耦合器

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示中，光學(xué)耦合器是另一個(gè)關(guān)鍵的光學(xué)組件，它作為用戶直接感知數(shù)字內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的接口。AR系統(tǒng)的光學(xué)耦合器可以廣泛分為兩類：自由空間耦合器和波導(dǎo)耦合器。

波導(dǎo)中的光被全反射（TIR）過(guò)程所限制和引導(dǎo)，波導(dǎo)可以是玻璃或光學(xué)塑料。與波導(dǎo)相反，自由空間是指光在空間中自由傳播的情況，關(guān)于自由空間耦合器，已經(jīng)開發(fā)了多種光學(xué)系統(tǒng)，包括單片自由形部分、BirdBath、輔助自由形透鏡、麥克斯韋式顯示等。

由于目前波導(dǎo)耦合器在多方位展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，我們會(huì)更詳細(xì)的介紹運(yùn)用在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的波導(dǎo)。根據(jù)光線傳導(dǎo)方式，波導(dǎo)耦合器可以分為兩類：衍射和反射。在反射波導(dǎo)合成器中，射線的入射過(guò)程是通過(guò)使用反射鏡或折射棱鏡來(lái)完成的，而光線傳播以及出射過(guò)程是通過(guò)部分鏡面陣列實(shí)現(xiàn)的（圖7a）。關(guān)于衍射波導(dǎo)耦合器（圖7b），衍射耦合器是衍射光學(xué)元件，大多數(shù)情況下包含光柵。按光柵類型主要有四種衍射波導(dǎo)耦合器：表面浮雕光柵（SRG）、體全息光柵（VHG）、偏振體光柵（PVG）和超表面衍射波導(dǎo)。前兩種衍射波導(dǎo)已廣泛應(yīng)用于商業(yè)AR產(chǎn)品后兩種衍射目前正在積極開發(fā)中，顯示出未來(lái)產(chǎn)品的巨大潛力。

然而，隨著所需視場(chǎng)（FoV）的增加，所有光耦合器變得更大、更笨重。這對(duì)于近眼顯示來(lái)說(shuō)是一個(gè)主要的缺點(diǎn)，因?yàn)轭^戴式顯示器需要盡可能輕便和緊湊。此外，這些設(shè)計(jì)中用于查看圖像的眼動(dòng)范圍很小。因此，光學(xué)系統(tǒng)的性能對(duì)光學(xué)模塊相對(duì)于觀察者眼睛的微小移動(dòng)非常敏感，對(duì)于具有不同瞳孔間距（IPD）的不同用戶來(lái)說(shuō)也不方便。

為此，多種不同類型的出瞳擴(kuò)展和瞳孔導(dǎo)向方法被開發(fā)出來(lái)，特別是針對(duì)光場(chǎng)顯示器和波導(dǎo)顯示器。然而，光場(chǎng)顯示器的一個(gè)最大問(wèn)題仍然沒有解決，即當(dāng)瞳孔移動(dòng)到不同的視野窗口位置或眼球進(jìn)行掃視時(shí)的像差。另一方面，波導(dǎo)顯示的出瞳擴(kuò)展過(guò)程在技術(shù)上非常自然，正如第上述所討論的那樣。波導(dǎo)耦合器可以在保持大的視場(chǎng)的同時(shí)保持大的視野窗口，外形也很纖薄。因此，在如今增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展中，波導(dǎo)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。

圖7 波導(dǎo)耦合器示意圖

(a）反射光波導(dǎo)示意圖

(b) 衍射光波導(dǎo)示意圖

圖片來(lái)源：Waveguide-based-AR-perspectives-and-challanges