AR光學構成

在上篇文章中，我們了解了增強現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，光學系統的物理尺寸與焦距成比例；因此，緊湊型光學系統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。在更小的光圈數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量往往受限。

根據顯示光源的來源，光引擎可以簡單分為自發光和外部照明。在自發光微型顯示器中，像素在不使用外部光源的情況下工作。自發光微型顯示器的主要優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）、數字光處理（DLP）、有機發光二極管（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，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。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（LBS）。不同于微型數字現實器，LBS屬于單一光源在視場中快速掃描成像的光引擎在LBS系統中，一個靜止的準直激光入射到一個二維（X/Y）掃描系統上，該系統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具有更大的發射度。為了縮小Micro-LED的發散角，一種直接的方法是引入像素級準直微透鏡陣列，但挑戰有兩個方面：制造工藝和光學串擾。此外，Micro-LED的發射區域應遠小于像素區域，以實現高效的光收集。為了提高像素密度，許多廠家已經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。總的來說，激光背光的LCoS很可能成為實現高效率和高分辨率波導型增強現實顯示的有力競爭者。硅基Micro-LED需要進一步發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字內容和現實環境的接口。AR系統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，已經開發了多種光學系統，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出優越的性能，我們會更詳細的介紹運用在增強現實中的波導。根據光線傳導方式，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AR產品后兩種衍射目前正在積極開發中，顯示出未來產品的巨大潛力。

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，在如今增強現實技術發展中，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