VR和AR究竟是什么呢？

VR 指虛擬現(xiàn)實，是通過顯示系統(tǒng)使用戶身臨其境感受虛擬環(huán)境的設(shè)備。AR是增強現(xiàn)實，是將虛擬環(huán)境信息與真實環(huán)境“無縫”融合的一種技術(shù)。比如漫威超級英雄鋼鐵俠的頭盔能夠顯示各種可視化信息，鋼鐵俠可以通過這些輔助信息更精準(zhǔn)地?fù)魯κ帧＿@個看起來無比酷炫的頭盔使用的正是AR技術(shù)。

我們在科普欄目《喵芯球》中，也詳細(xì)介紹了AR/VR/MR的區(qū)別。(點擊查看）

而與VR技術(shù)相比，AR對光學(xué)系統(tǒng)的要求更高。AR雖然多為商用，但目前也在蓄勢待發(fā)向消費端進軍，比如現(xiàn)在市面上比較多的AR產(chǎn)品──AR眼鏡，光學(xué)顯示是AR眼鏡的核心技術(shù)。AR產(chǎn)品的價格普遍都比較高，對于硬件成本超過1000美金的AR產(chǎn)品來說，光學(xué)與顯示成本占比最高，約40%。

目前市面上有多種光學(xué)方案，從棱鏡、自由曲面、到BB，再到光波導(dǎo)等。隨著超透鏡技術(shù)的日趨成熟，AR眼鏡的光學(xué)性能與輕量化都將得到更好的優(yōu)化，本期我們將淺談AR系統(tǒng)中的光學(xué)顯示技術(shù)。

AR光學(xué)系統(tǒng)如何運作？

通常，AR光學(xué)系統(tǒng)包括光源（顯示器）、接收器（眼睛）和光學(xué)元件（透鏡）。

AR的光學(xué)系統(tǒng)工作原理是將顯示器上的圖像投影到用戶前方的虛擬圖像/顯示器上，與當(dāng)前真實環(huán)境相疊加。 這個顯示器可以是頭戴式顯示器、手持式顯示器（例如數(shù)字平板電腦）或安裝式顯示器（例如擋風(fēng)玻璃）。

• 微型顯示器是AR的光源，例如有機發(fā)光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。雙目頭顯通常有兩個顯示器，通過向雙眼提供不同的圖像來呈現(xiàn)立體效果，從而讓用戶產(chǎn)生3D感知。在全息頭顯中，光源是來自空間光調(diào)制器（SLM）的調(diào)制相干光?，F(xiàn)實世界的光源則是視場內(nèi)物體所散射或發(fā)射的光。
• 接收器就是用戶的眼睛。
• 光學(xué)元件將來自微型顯示器的光與來自現(xiàn)實世界的光相融合，并將（來自微型顯示器的）增強信息投射到現(xiàn)實世界中。在下面圖1所示的示例中，微型顯示器發(fā)出的光線穿過光束整形透鏡、耦合棱鏡、光學(xué)透鏡和自由曲面圖像組合器后，在距AR眼鏡一定距離處完成成像。因此人眼通過光學(xué)透鏡看到了真實場景和虛擬圖像（增強信息） 融合后的畫面。

▲圖1：AR眼鏡示意圖（經(jīng)許可后轉(zhuǎn)載。 The Optical Society）

（a） 擬設(shè)系統(tǒng)中AR圖像的側(cè)視圖和光束路徑。光學(xué)透鏡既可用于圖像校正，也可用于AR圖像的波導(dǎo)。微型顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過光束整形透鏡折射后，通過耦合棱鏡進入光學(xué)透鏡，并在距透鏡一定距離處形成放大的虛擬圖像

（b） AR眼鏡中幾何參數(shù)的詳細(xì)示意圖

（c） 光學(xué)元件的3D圖

AR頭顯設(shè)計考慮因素

在頭顯中，像差對圖像質(zhì)量的影響與其他光學(xué)系統(tǒng)中相似。軸向色差、球差、彗差、像散和場曲等像差會導(dǎo)致圖像模糊?；儭㈠绮詈蜋M向色差等像差會導(dǎo)致圖像扭曲。像差控制在AR 頭顯光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中非常重要。圖2顯示了一個全反射自由曲面設(shè)計示例，其中（a）顯示了系統(tǒng)設(shè)計，（b）顯示了測試對象，（c）提供了初始系統(tǒng)的圖像仿真結(jié)果，而（d）顯示了優(yōu)化后的圖像。在這個示例中，我們可以了解優(yōu)化在減少像差和畸變方面的能力。

▲圖2：全反射自由曲面設(shè)計仿真

由于做到FOV和人眼的分辨率匹配頗具挑戰(zhàn)性，因此通常需要根據(jù)具體的要求來權(quán)衡FOV、重量（光學(xué)元件的體積、數(shù)量）、分辨率、光瞳大?。ㄑ蹌臃秶?、眼睛間隙和微型顯示器尺寸。其中的一些權(quán)衡可以通過技術(shù)改進來解決。下文列出了一些可能的解決方案：FOV和分辨率之間的權(quán)衡可通過嵌入式高分辨率圖像、部分雙目重疊、空間分塊，時間分割，以及衍射級分塊來解決。FOV和光瞳大小之間的權(quán)衡可通過將出射光瞳復(fù)制到陣列中并采用眼動追蹤設(shè)備來解決。

AR光學(xué)系統(tǒng)

在現(xiàn)實世界中有哪些應(yīng)用？

AR技術(shù)的日漸成熟，推動了汽車抬頭顯示器的創(chuàng)新，AR-HUD 將AR與HUD相結(jié)合，仍以擋風(fēng)玻璃為媒介，但所生成的圖像能在更大，更遠(yuǎn)的距離進行投射，成像也更為生動，提升人機交互體驗。除此以外，AR的發(fā)展還能用于以下場景：

• 手術(shù)操作幫助和指導(dǎo)。
• 作戰(zhàn)輔助。
• 3D架構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計輔助。
• 社交，同時與現(xiàn)實和虛擬觀眾互動。
• 娛樂，包括涉及現(xiàn)實環(huán)境的游戲和介紹歷史場景或時間演變的旅游活動。
• 教育培訓(xùn)，對現(xiàn)實環(huán)境進行更多標(biāo)注，幫助學(xué)生獲取更多知識。

設(shè)計AR光學(xué)系統(tǒng)的必備工具 新思科技提供了一整套研究AR/VR設(shè)備的工具。設(shè)計AR光學(xué)系統(tǒng)需要多個軟件。光學(xué)開發(fā)者需要軟件來創(chuàng)建和優(yōu)化成像系統(tǒng)，分析光路中的雜散光，并設(shè)計衍射光學(xué)元件。機械開發(fā)者需要一個CAD套件來繪制系統(tǒng)布局并完成熱分析和結(jié)構(gòu)分析。 AR系統(tǒng)還可能需要電氣開發(fā)者來實現(xiàn)眼動追蹤并將信號發(fā)送到光學(xué)系統(tǒng)。

用新思科技光學(xué)工具搭建工作流程：

• 使用CODE V光學(xué)設(shè)計軟件進行系統(tǒng)建模，追蹤光學(xué)系統(tǒng)的光線路徑，優(yōu)化系統(tǒng)以減少像差和畸變并提高分辨率（圖3），
• 開發(fā)者可以將得到的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到LightTools后對照明、雜散光和鬼影進行建模分析，也可用于優(yōu)化照明均勻度（圖4）。

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• 用RSoft 光子器件工具進行光柵設(shè)計（圖5）：衍射光柵將光耦合到波導(dǎo)板中，然后再耦合到人眼中。合理的光柵設(shè)計能使光學(xué)系統(tǒng)生成出色的圖像。在光柵的設(shè)計和優(yōu)化方面，開發(fā)者可以基于任何級次或級次組合的衍射角、效率等來優(yōu)化光柵。光柵構(gòu)建完畢后，開發(fā)者可直接將雙向散射分布函數(shù)（BSDF）信息和布局文件導(dǎo)出到LightTools來定義曲面特性。所有衍射特性都會包含在RSoft BSDF文件中，其中包括曲面（薄膜、圖案等）的光散射相關(guān)信息。

?總結(jié)

隨著科技的進步，AR設(shè)備會越來越多的融入到人們的日常生活中。目前已經(jīng)開發(fā)出像隱形眼鏡一樣的AR眼鏡，不但能增強現(xiàn)實世界的信息，還能幫助有視覺障礙的用戶獲取更多信息。我們相信，在不久的將來， 人人“鋼鐵俠”都將不是夢！