移動(dòng)AR已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。當(dāng)看到與微軟的HoloLens，Magic Leap的Creator Edition或DAQRI的Smart Glasses相關(guān)的熱門文章時(shí)，你會(huì)有一種AR似乎終于準(zhǔn)備好走進(jìn)大眾市場(chǎng)的感覺。但是，所述設(shè)備依然存在諸多缺陷，尤為明顯的一個(gè)是顯示器。

近來熱門的媒體出現(xiàn)了各種推測(cè)和“功能建議”，大家似乎普遍認(rèn)為當(dāng)前的AR顯示器十分優(yōu)秀，而盡管視場(chǎng)依然過小，但很快就能達(dá)到優(yōu)秀的水平。諸如波導(dǎo)設(shè)計(jì)商DigiLens等顯示器廠商同樣加入了這輪視場(chǎng)喧囂之中，并于最近宣稱他們的AR顯示器很快就能達(dá)到150度的視場(chǎng)。

在本文中，DAQRI首席技術(shù)官Daniel Wagner、DAQRI首席光學(xué)設(shè)計(jì)工程師Louahab Noui和DAQRI研究總監(jiān)Adrian Stannard將嘗試解釋視場(chǎng)為什么不太可能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)大幅擴(kuò)展。本文另一個(gè)更為重要的目標(biāo)是，說明視場(chǎng)只是對(duì)AR顯示器重要的大約24個(gè)參數(shù)中的一個(gè)。其他參數(shù)的重要性不弱于FOV，同時(shí)尚未得到解決或可以獨(dú)立解決。實(shí)際上，目前大多數(shù)AR顯示技術(shù)早已存在于軍事或工業(yè)場(chǎng)景，而最近的進(jìn)展更多是降低了相關(guān)的成本，全新的突破較少。具體整理如下：

1. AR顯示器的種類

目前主要有兩種AR顯示技術(shù)：光學(xué)透視和視頻透視。行業(yè)在過去已經(jīng)探索過這兩種選擇，但由于后者的局限性十分顯著，目前幾乎所有商用AR設(shè)備都采用光學(xué)透視顯示器。

1.1 光學(xué)透視顯示器

光學(xué)透視顯示器允許用戶“直接”（通過一組光學(xué)元件）感知現(xiàn)實(shí)世界。這種AR顯示器是通過為來自現(xiàn)實(shí)世界的光線添加額外光線來呈現(xiàn)虛擬內(nèi)容。由于這是一種添加操作，所以不可能顯示黑色或令現(xiàn)實(shí)世界變暗。所以，今天的無源光學(xué)系統(tǒng)無法顯示黑色虛擬內(nèi)容或繪制陰影。確實(shí)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠以每像素級(jí)別阻止入射光，但它們遠(yuǎn)離實(shí)際應(yīng)用尚有十分遙遠(yuǎn)的距離，所以本文不作考慮。

今天主要存在兩種主要類型的光學(xué)透視顯示器：波導(dǎo)和自由空間系統(tǒng)（組合器）。就目前而言，波導(dǎo)（見下圖）顯然在高端領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，而且上述提到的所述設(shè)備都是基于波導(dǎo)：投影儀在波導(dǎo)的一個(gè)位置（內(nèi)耦合）插入圖像。由于全內(nèi)反射（Total Internal Reflection；TIR），它將在波導(dǎo)內(nèi)反彈（就如同在光纖電纜之中），然后在另一個(gè)位置（外耦合）朝向眼睛出射。波導(dǎo)十分受歡迎，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)練的平面設(shè)計(jì)，但會(huì)帶來一系列的（圖像質(zhì)量）問題。

左邊是基于波導(dǎo)的光學(xué)透視顯示器；右邊是基于自由空間系統(tǒng)的光學(xué)透視顯示器

當(dāng)今最流行的波導(dǎo)替代方案是自由空間系統(tǒng)。由于采用自由形式元件，其設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，但從光學(xué)角度來看比波導(dǎo)簡(jiǎn)單很多，所以可以產(chǎn)生更高的圖像質(zhì)量。另外，一旦完全原型化，它們的生產(chǎn)成本將遠(yuǎn)低于波導(dǎo)。對(duì)基于自由空間系統(tǒng)的顯示器而言，一個(gè)常見的誤解似乎是它們通常必須很大才能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)（如Meta2）。

波導(dǎo)的光學(xué)效率低，所以需要強(qiáng)大的投影儀。目前的實(shí)現(xiàn)方式是將作為光源的LED和作為圖像調(diào)制器的LCOS組合起來。自由空間系統(tǒng)通常足以應(yīng)用OLED，后者具有自發(fā)光的特性，可實(shí)現(xiàn)更小的投影儀設(shè)計(jì)。

1.2 視頻透視顯示器

對(duì)于視頻透視顯示器，一對(duì)攝像頭將記錄真實(shí)世界視圖，然后再通過不透明顯示器進(jìn)行顯示，如OLED或LCD。虛擬內(nèi)容是通過常見的視頻混合技術(shù)進(jìn)行添加，這意味著可以進(jìn)行任何類型的操作，包括顯示黑色虛擬內(nèi)容和令現(xiàn)實(shí)世界變暗。

視頻透視顯示器的原理

可以進(jìn)行適當(dāng)視頻混合的能力絕對(duì)是視頻通過光學(xué)透視的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，現(xiàn)在基本所有的AR設(shè)備都采用光學(xué)透視。原因十分簡(jiǎn)單：在視頻透視的情況下，我們?cè)诒疚闹杏懻摰乃刑魬?zhàn)都適用于真實(shí)視圖和虛擬內(nèi)容。

相比之下，光學(xué)透視僅適用于虛擬內(nèi)容，而通過巧妙的UI設(shè)計(jì)我們可以更好地進(jìn)行控制。動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)明顯例子：盡管具有巨大動(dòng)態(tài)范圍的人眼可以看到一個(gè)位于陽光之下的人和一個(gè)位于陰影之中的人相鄰站立，但今天的相機(jī)和顯示器無法解決這個(gè)問題。要么陰影中的人過暗，要么陽光下的人太亮。

另外，大視場(chǎng)是必要項(xiàng)，這不僅是為了匹配所部署的攝像頭系統(tǒng)，同時(shí)是為了模仿如肉眼所見的真實(shí)世界視場(chǎng)。另外，存在安全和人類因素等需要解決的問題。所以，本文的其余部分只探討光學(xué)透視顯示。

2. 設(shè)計(jì)參數(shù)

我們?cè)诒疚募僭O(shè)視場(chǎng)只是AR顯示器的眾多基本設(shè)計(jì)參數(shù)之一。所述的大多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)與F視場(chǎng)同樣重要。下面我們列出了最重要的屬性：

①視場(chǎng)

②視窗大小

③亮度，透明度和占空時(shí)間

④對(duì)比度

⑤均勻性和色彩質(zhì)量

⑥分辨率

⑦現(xiàn)實(shí)世界畸變

⑧虛擬圖像畸變

⑨人眼安全

⑩適眼距

?色差

?深度感知

?體積，重量和形狀參數(shù)

?光學(xué)效率

?延遲

?雜散光

我們可以相對(duì)輕松地以其他作為代價(jià)來改進(jìn)一個(gè)參數(shù)。例如，如果可以接受大體積和小視窗，增加視場(chǎng)將不是什么難事。但大多數(shù)用戶可能不希望使用這樣的設(shè)備。另一方面，在小型顯示器中實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和大視窗非常具有挑戰(zhàn)性。類似地，較大的視窗需要更多的光線來實(shí)現(xiàn)相同的感知亮度，所以需要更強(qiáng)大的光源。

下面描述的大多數(shù)參數(shù)今天都未達(dá)到最理想的狀態(tài)。所以，設(shè)備廠商的目標(biāo)是全方位地提升它們。但正如剛才提到的一樣，在不犧牲其他參數(shù)的情況下改進(jìn)一個(gè)參數(shù)已經(jīng)十分困難。這種權(quán)衡的主要原因是所謂的系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展量。這是一個(gè)幾何不變量，如下面的公式所定義。類似于能量守恒，我們需要維持光學(xué)擴(kuò)展量守恒。在最簡(jiǎn)單的形式中，光束所通過的面積和光束所占有的立體角的乘積必須是常數(shù)。

光學(xué)擴(kuò)展量守恒：h2越高，Ω2則越小

在圖片中，高度為h1的對(duì)象用作光源。對(duì)于所示透鏡系統(tǒng)的幾何形狀，得到的圖像高度h2> h1，而對(duì)象側(cè)的立體角Ω2小于Ω1。換句話說，如果面積擴(kuò)大，則立體角減小，反之亦然。更正式的光學(xué)擴(kuò)展量定義為：

其中n是介質(zhì)的折射率，θ是面積dA的發(fā)射（或接收）光束的角度。我們注意到光學(xué)擴(kuò)展量沒有的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，但“G”和“dG”經(jīng)常用于光學(xué)領(lǐng)域。類似術(shù)語出現(xiàn)在稱為拉格朗日不變量的近軸極限中：

其中h1和h2是對(duì)象和圖像高度，u1和u2分別是對(duì)象和圖像射線角度。G的替代表達(dá)式有時(shí)用于包含NA（數(shù)值孔徑）的顯微鏡物鏡：

如果為獲得恒定視場(chǎng)而嘗試擴(kuò)大出射光瞳，光學(xué)擴(kuò)展量將影響光引擎設(shè)計(jì)的效率和投影儀尺寸。以下圖的簡(jiǎn)單投影儀設(shè)計(jì)為例，焦距為f的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直寬度為x的微型顯示面板（限制在一個(gè)維度）。無論是波導(dǎo)還是自由空間系統(tǒng)，投影儀的視場(chǎng)都是我們希望嘗試實(shí)現(xiàn)和通過顯示器中繼的目標(biāo)。

基于準(zhǔn)直微顯示面板的簡(jiǎn)單頭顯投影儀

投影儀的高度（出射光瞳）由透鏡的直徑確定，而投影儀的視場(chǎng)θ由以下等式確定：