常見的幾種AR眼鏡顯示器原理剖析

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常見的幾種AR眼鏡顯示器原理剖析

佚名 發表於 2017-12-20 17:22:44

自20世紀60年代後期以來，透視顯示器具有廣泛的歷史（我將添加一些內容，幫助讀者獲得更多的技術背景）。結果，出現了很多光學技術，但是這一切都歸結為解析度、視場、眼盒、圖像質量、硬體重量／適配、美學形狀因子和其他特徵之間的基本權衡。理想情況下，每個人都想要時尚、擁有200x100度FOV（像人眼）方便使用的眼鏡和完美的圖像質量。但是HMD ／ NED的物理和光學限制（例如我們如何使用可穿戴硬體來反射和彎曲光線）讓這些在可預見的未來變得不太現實。所以我們需要弄清楚我們所關心的權衡。

光學硬體就是權衡問題。

傳統的組合器可以產生合理的透視和具有一致性能的成像質量以及幾十年供應鏈發展所能負擔的材料。我們可以講述兩個常見的實現方式，如下圖所示：作為平面組合器示例的偏振光束組合器（左上）和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Google Glass以及來自Epson（日本）、Rockchip（中國）和ITRI（臺灣）的智能眼鏡。分束鏡可以使用LCOS微顯示器進行偏振，例如Google Glass，或者僅使用簡單的半色調反射鏡也可以實現。不幸的是，基於PBC的顯示器由於組合器的重量和尺寸限制而傾向於小型，並且可能存在光束分離產生的附加模糊性。谷歌眼鏡擁有13度FOV；Epson BT－300擁有23度FOV以及1280x720的解析度。兩者都是消費者顯示器可接受範圍的低端產品。然而，更大的FOV和／或解析度將需要更大和更重的硬體。

離軸、半球形組合器的最佳示範案例是Meta 2。與其他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「近乎90度FOV」和雙眼2560x1440的像素顯示。然而，他們的硬體體積龐大，可與VR耳機（如Oculus和HTC Vive）相媲美。另外，存在低角度解析度（不太詳細／清晰的圖像）以及組合器塑料材料如何保持其質量（例如，輕微的擾動被放大化，並且隨時間的變化可能會產生視覺假象） 等問題－ 因此，他們選擇降低成本。使用彎曲組合器老生常談的案例是Link的高級頭盔安裝顯示器。

正如你所看到的，在FOV和解析度方面試圖改進傳統的組合器意味著更小的外殼、更厚的組合器光學件、遠處更大的組合器以及更差的成像質量。它不是關乎計算性能限制，而是關於光線如何與硬體的交互的物理因素。

為了解決令人頭疼的權衡問題，新技術正在推進非常規技術（如全息和衍射光學）的發展。這些技術使用所謂的波導光柵或波導全息圖來逐漸提取由波導管中的全內反射（TIR）引導的準直圖像。管道是光線可以通過的玻璃或塑料薄片。實際上，你可以想像一個路由器的波導，將圖像呈現在眼睛上。

從技術上而言，波導是最複雜的透視光學器件，並且同樣難以設計。然而這些想法不是最新的； 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（上圖）、Konica ／ Minolta（上圖）、諾基亞／微軟（下圖）、Magic Leap等公司都在研發各種波導組合器。

例如，表面浮置傾斜亞波長光柵是Microsoft Hololens所使用的。這裡，波導在線性圖案上具有一系列非常精細的結構。該衍射光柵像透鏡一樣可以使光線彎曲通過TIR，直到其朝向眼睛射來。這個過程的最好結果是「瞳孔擴張」； 出射光線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達到1920x1080解析度，接近32Hx18V度FOV，並且沒有傳統組合器解決方案的體積和重量。Magic Leap專利表明其技術渴望接近120Hx80V度水平FOV，但可能最終達到50－55度FOV。這可能比傳統的方法更有希望，但也是迄今為止能夠實現的承諾。此外，波導組合器也有自己的一系列挑戰。
 

首先，波導需要很大地精度，非常棘手，並且諸如光聚合物、DCG、滷化銀等的體積全息介質可以因為環境溫度，溼度和／或壓力而改變。第二，角解析度隨著擴散而衰減（即，FOV對成像細節的權衡）。最後，還沒有為技術建立供應鏈，因此大規模生產困難較大，成本較高。更不用說兩家公司高昂的研發成本。

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