AR光學構成

在上篇文章中，我們了解了增強現(xiàn)實技術的一些光學基礎知識。在此基礎上，本篇文章將簡要總結AR光學的核心構成。我們在從光學角度來看，增強現(xiàn)實（AR）顯示器可以基本上分為三個基本組件：光引擎（Light engine）、成像光學（Imaging optics）和耦合器（Combiner）。光引擎負責產(chǎn)生并空間調制形成虛擬圖像的光。一旦光被生成，它會通過成像光學，產(chǎn)生準直（或幾乎準直）的光束，使得放松的眼睛能夠聚焦到虛擬圖像上。在光到達眼睛之前的最后一個組件：耦合器。它的主要功能是允許環(huán)境中的光傳播到眼睛，同時提供一個傳導路徑，將成像光學中的光引導到眼睛中。如果耦合器具有光學曲率，它還承擔一部分成像光學的發(fā)揮作用。在AR光學顯示上，這三個組件的示意圖如圖1所示。

圖1

圖片來源：Springer Handbook of AR

AR光引擎

正如我們所討論的，增強現(xiàn)實（AR）顯示器其中一個核心光學組件是光引擎。這個組件可以簡單歸納為兩種形式：

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（FOV）上快速掃描。

首先，我們將分析微顯示器及其在AR顯示的一階光學計算中所起的關鍵作用。成像光學的視場和焦距與微顯示器的物理尺寸之間存在關系，可以用以下方程表示：

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

根據(jù)顯示光源的來源，光引擎可以簡單分為自發(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)點是其操作的簡單性和緊湊的封裝。目前，主流的光引擎技術包括液晶硅（LCoS）、數(shù)字光處理（DLP）、有機發(fā)光二極管（OLED）、微型LED（Micro-LED）以及激光束掃描（LBS）。其中LCoS和DLP是光調制顯示器，為外部照明微顯技術。OLED與Micro-LED則為自發(fā)光微型顯示器。LBS則為單一光源，通過在人眼視場中快速掃描，利用人眼具有視覺暫留現(xiàn)象，最終形成畫面。

LCoS

圖2

圖片來源：Springer Handbook of AR

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

DLP

圖3

圖片來源：LightGate

與LCoS不同，DLP的核心為一個DMD芯片，每一個像素均依靠擺動的微振鏡將入射光引導到兩個不同的方向，分別對應開和關狀態(tài)。DLP的光學原理可參考圖3。

LBS

圖4

圖片來源：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)實器，LBS屬于單一光源在視場中快速掃描成像的光引擎在LBS系統(tǒng)中，一個靜止的準直激光入射到一個二維（X/Y）掃描系統(tǒng)上，該系統(tǒng)通常由一個旋轉鏡組成。鏡子的旋轉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（FOV）相關（如圖4）。

對于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準直微透鏡陣列，但挑戰(zhàn)有兩個方面：制造工藝和光學串擾。此外，Micro-LED的發(fā)射區(qū)域應遠小于像素區(qū)域，以實現(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準，而后者則犧牲了顯示亮度（由于藍色和綠色吸收體）并需要RGB LED的外延生長。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現(xiàn)實應用的瓶頸。

作為單一光源掃描光引擎，LBS可以省略成像光學元件，但代價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LBS顯示難以避免的問題。高Q值MEMS諧振器有助于緩解這些問題?？偟膩碚f，激光背光的LCoS很可能成為實現(xiàn)高效率和高分辨率波導型增強現(xiàn)實顯示的有力競爭者。硅基Micro-LED需要進一步發(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現(xiàn)實顯示鋪平道路。要與LCoS和Micro-LED競爭，LBS需要在刷新率和分辨率上進行重大改進。

圖5 圖片來源：水晶自研Micro-LED光引擎

圖6

圖片來源：Vertical full-colour micro-LEDs

via 2D materials-based layer transfer

AR光學耦合器

在增強現(xiàn)實（AR）顯示中，光學耦合器是另一個關鍵的光學組件，它作為用戶直接感知數(shù)字內容和現(xiàn)實環(huán)境的接口。AR系統(tǒng)的光學耦合器可以廣泛分為兩類：自由空間耦合器和波導耦合器。

波導中的光被全反射（TIR）過程所限制和引導，波導可以是玻璃或光學塑料。與波導相反，自由空間是指光在空間中自由傳播的情況，關于自由空間耦合器，已經(jīng)開發(fā)了多種光學系統(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。

由于目前波導耦合器在多方位展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，我們會更詳細的介紹運用在增強現(xiàn)實中的波導。根據(jù)光線傳導方式，波導耦合器可以分為兩類：衍射和反射。在反射波導合成器中，射線的入射過程是通過使用反射鏡或折射棱鏡來完成的，而光線傳播以及出射過程是通過部分鏡面陣列實現(xiàn)的（圖7a）。關于衍射波導耦合器（圖7b），衍射耦合器是衍射光學元件，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。前兩種衍射波導已廣泛應用于商業(yè)AR產(chǎn)品后兩種衍射目前正在積極開發(fā)中，顯示出未來產(chǎn)品的巨大潛力。

然而，隨著所需視場（FoV）的增加，所有光耦合器變得更大、更笨重。這對于近眼顯示來說是一個主要的缺點，因為頭戴式顯示器需要盡可能輕便和緊湊。此外，這些設計中用于查看圖像的眼動范圍很小。因此，光學系統(tǒng)的性能對光學模塊相對于觀察者眼睛的微小移動非常敏感，對于具有不同瞳孔間距（IPD）的不同用戶來說也不方便。

為此，多種不同類型的出瞳擴展和瞳孔導向方法被開發(fā)出來，特別是針對光場顯示器和波導顯示器。然而，光場顯示器的一個最大問題仍然沒有解決，即當瞳孔移動到不同的視野窗口位置或眼球進行掃視時的像差。另一方面，波導顯示的出瞳擴展過程在技術上非常自然，正如第上述所討論的那樣。波導耦合器可以在保持大的視場的同時保持大的視野窗口，外形也很纖薄。因此，在如今增強現(xiàn)實技術發(fā)展中，波導技術得到了廣泛關注。

圖7 波導耦合器示意圖

(a）反射光波導示意圖

(b) 衍射光波導示意圖

圖片來源：Waveguide-based-AR-perspectives-and-challanges