沉浸感好不好關鍵看AR顯示器?一文看懂AR顯示器工作原理

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/350950.htm

由於科幻電影的影響（《鋼鐵俠》和《星際迷航》等等），人們一直在憧憬著全息光學透鏡的出現。那麼增強現實顯示器的工作原理是什麼呢？遊戲開發者Aaron Yip在Quora（國外著名問答網站）進行了解答，下面是整理的文字。

先讓我們從基礎開始。我們有這些部分透明的顯示器，可把數字影像與真實世界相混合。光線需要在一定東西上反彈以重定向到你的眼睛。在現實世界，我們已經得到重定向的光線。對於數字世界，我們需要創建人工光線（例如通過LED，OLED），然後重定向它們。將生成的計算機圖像與真實世界結合的光學裝置稱為「組合器 」（Combiner）。 基本上，組合器的工作原理類似於部分反射鏡，即重定向顯示光，並選擇性地讓光從真實世界通過。這很簡單。

光學硬體解決方案可以分為兩類：常規HMD光學組合器和新興波導組合器。這兩者都非常不同，有著非常不同的權衡。

自上世紀60年代以後便出現了透視顯示器。因此，這產生了許多不同的光學技術，但基本上都是解析度、視場、眼盒、圖像質量、硬體重量/適配、形狀參數和其他特徵之間的權衡。在理想情況下，每個人都希望時尚輕便的眼鏡，有著200×100度的視場（匹配人眼），以及由《鋼鐵俠》主角託尼·史塔克發明的完美圖像質量。但由於頭顯/近眼顯示器等等存在物理和光學的限制，使得這在可預見的未來中成為不切實際的幻想。所以我們需要思量上述提到的權衡。

光學硬體完全在於權衡

傳統的組合器可產生合理的透視和成像質量，具有一致的性能和得益於幾十年供應鏈發展而帶來的所能負擔得起的材料。下圖是兩個常見的實現方式：作為平面組合器示例的偏振光束組合器（左上）；作為彎曲組合器示例的離軸組合器（右上）。

偏振光束組合器的實例包括谷歌眼鏡，以及愛普生、瑞芯微（Rockchip）和臺灣工業技術研究院的智能眼鏡。分束器可以使用LCOS（矽基液晶）微型顯示器進行偏振，例如谷歌眼鏡；或者僅使用簡單的半色調反射鏡。可惜的是，由於組合器的重量和尺寸限制，基於偏振光束組合器的顯示器的視場通常較小，並且可能存在光束分離導致的附加模糊，造成解析度較低。谷歌眼鏡的視場為13度FOV，而愛普生BT-300為23度，解析度是1280×720。兩者都處於消費者顯示器可接受範圍的低端。然而，更大的FOV和/或解析度將需要更大和更重的硬體。

優點：輕、小、相對實惠（500美元-700美元左右）

　　

缺點：有限的視場和解析度，難以改進。

　　

離軸、半球形組合器的最佳現代示例是Meta 2。與其他品種的小型和輕型組合器不同，Meta傾向於更大的FOV和顯示解析度。他們推出單個OLED平板以支持「幾乎90度FOV」和2560×1440像素。然而，他們的硬體體積巨大，跟VR頭顯（如Oculus和HTC Vive）相似。另外的問題包括較低的角解析度（較少細節/圖像不夠清晰），以及組合器的塑料材料如何維持其質量（例如，隨著時間的推移輕微的抖動會得到強化，可能導致最終的視覺假象）。但這是他們為降低成本而做出的選擇。彎曲組合器另一個更早的實例是Link的Advanced Helmet Mounted Display。

　　

優點：寬視場和高解析度，相對實惠（900美元左右）

　　

缺點：大而笨重，較低的角解析度，材料質量風險。正如你所看到的，試圖在FOV和解析度上改進傳統組合器意味著更小的眼盒，更厚的組合器光學組件，更大的組合器，和/或更差的成像質量。它跟計算性能限制無關，而是跟光在硬體上的表現特性有關。

　　

為了解決這一硬性權衡問題，新技術正在採用非常規技術，如全息和衍射光學。這些技術使用所謂的波導光柵或波導全息圖逐漸提取由波導管中全內反射（TIR）引導的準直圖像。波導管是用玻璃或塑料製作而成的薄片，光被會在其中反射通過。實際上，你可以把波導想像成一個在你眼睛前面傳輸圖像的路由器。

　　

波導是技術上最複雜的透視光學元件，它們同樣難以設計。然而這些並非是全新的概念。自80年代初以來，人們一直在探索光學波導。從那時起，像索尼（圖二）、柯尼卡美能達（上圖），諾基亞/微軟（下圖），Magic Leap等公司都在研究各種波導組合器。

　　

例如，表面傾斜的亞波長光柵通常是用於Microsoft Hololens的假定實現形式。在這裡，波導具有一系列呈線性陣列的非常精細的結構（跟光波長接近）。該衍射光柵會像透鏡一樣彎曲光線，直到其射向眼睛。這個過程的愉快結果是「瞳孔擴張」，出射光可以輕微擴散以增加其FOV。

　　

總而言之，最先進的波導技術可能會在1920×1080解析度下接近32Hx18V度的FOV，可能沒有傳統組合器解決方案那樣的體積和重量。Magic Leap的專利表明其技術渴望接近120Hx80V度的水平FOV，但或許最終是接近於50-55度的FOV。與傳統的方法相比，Magic Leap的技術可能更具前景，或者說至少可以有更多的炒作。但他們到目前為止並未給出太多的演示證明。另外，波導組合器也存在挑戰。

　　

首先，波導需要非常高的精度，而諸如光聚合物、重鉻酸鹽明膠、滷化銀等精細體積的全息介質會根據環境溫度、溼度和/或壓力而改變。第二，角解析度隨著更多的擴散而衰減（即，FOV與成像細節的權衡）。最後，相關技術的供應鏈尚未建立，因此大規模生產存在困難，而且成本高昂。更不用說兩家公司高達10億美元+持續的研發成本。

　　

優點：有可能在中型尺寸的設備上實現更高的視場和解析度。

　　

缺點：昂貴（預計在3000美元或以上），技術仍需積極地改進。

　　

總括而言，本文討論的主要是已經被證明和已經經過相對大量探索的傳統技術，以及存在大量炒作的實驗性技術。個人而言，我認為存在對波導技術的不信任很合理，畢竟目前仍然沒有任何公開的demo演示證明其效果更優於傳統的組合器。另一方面，我同樣也認為這些巨額投資很合理。

　　

受到科幻作品影響的消費者對大部分/所有的傳統組合器硬體無動於衷。在過去五十年的光學發展中，AR只是作為利基產品。傳統的組合器（例ODG眼鏡）中可能還有一些有趣的改進，但對微軟和Magic Leap而言，波導技術是AR光學的登月項目，有希望被大眾市場接受。