深入光學設計Birdbath 曲面反射和波導 淺談AR頭顯工作原理

　　2018年05月29日，增強現實頭顯是如此的新穎，以至于行業將有著截然不同設計的頭顯進行比較，仿佛它們是相同的技術那般。這就像是將所有的山地自行車劃分為“自行車”一樣。但我們知道，1萬美元的Yeti山地自行車與179美元的Schwinn休閑自行車有著截然不同的體驗。與自行車一樣，不同AR頭顯的體驗可能存在巨大的差異。在這篇文章中，將與大家一起探討光學設計，并講解三種主要類型的頭顯：“Birdbath”;曲面反射鏡(又名“蟲眼”);以及反射/衍射波導。

　　1. Birdbath光學設計

　　工作原理：Birdbath光學設計把來自顯示源的光線(上圖中的藍線)投射至45度角的分光鏡(垂直于前額的黑色矩形)。分光鏡具有反射和透射值(R / T)，允許光線以R的百分比進行部分反射，而其余部分則以T值傳輸。同時具有R/T允許用戶同時看到現實世界的物理對象，以及由顯示器生成的數字影像。從分光鏡反射回來的光線彈到合成器上。這是一個凹面鏡，可以把光線重新導向眼睛(上圖中的虛線)。

　　采用這種光學設計的主要頭顯包括：聯想Mirage AR頭顯與ODG R8和R9。

　　硬件組件：像聯想Mirage AR這樣的低成本頭顯采用了LCD顯示屏，而ODG R9這樣更高級的系統則搭載OLED微型顯示屏。微型顯示屏價格比較昂貴，但能夠大幅優化頭顯的尺寸。就光學而言，分光鏡和組合器的單向鏡在制造成本上通常比較低。

　　視場：這種設計具有中等視場。ODG R9有50度的FOV，與高端波導技術相比該范圍相對較高，但小于大多數的曲面鏡設計。

　　光損：在50/50分束器中，第一次反射時出現50%的光損，當光線到達組合器時會有額外的損失，而且當光線通過分束器返回時又產生另外50%的光損。為了彌補明顯的光損，透鏡非常暗，類似于在室內穿戴太陽眼鏡。

　　形狀尺寸：如果把LCD作為顯示器來源，光學限制將要求更大的頭顯設計。微型OLED可以減少頭顯的尺寸，但增加了供應鏈和成本方面的困難。

　　圖像質量：當光源從組合器里面和外面反射時，它可能會產生名為重影的偽影現象。

　　由于顯示器上的1080P圖像出現擴展，LCD顯示屏將產生更大的像素(低像素密度)。微型顯示器提供更高的像素密度，因此它們能夠以非常小的尺寸生成高分辨率，但代價是亮度下降。

　　透鏡透明度：如前所述，廠商通常把黑色透鏡放在鏡片的前面，使得你難以看到用戶的眼睛，尤其是在室內。

　　2. 曲面鏡/“蟲眼”光學設計

　　工作原理：蟲眼頭顯采用了相對簡單的光學設計。它搭載了低成本的LCD顯示源，以及帶反射/透射(R/T)值的曲面反射鏡。顯示器發出的光線直接射至凹面鏡/合成器，并且反射回眼內。顯示源的理想位置居中，并與鏡面平行。從技術上講，理想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛，所以大多數設計都將顯示器移至“軸外”，設置在額頭上方。凹面鏡上的離軸顯示器存在畸變，需要在軟件/顯示器端進行修正。

　　采用這種光學設計的頭顯主要包括：Mira Prism，Meta 2，Leap Motion，Dream World。

　　硬件組件：LCD顯示屏可以是手機或現成的LCD面板。雖然可以專門生產專門的透鏡，但它們需要定制的光學鍍膜。

　　視場：由于顯示器遠離眼睛，視場可以明顯大于當前的波導范圍(范圍在50至105度)。

　　光損：由于光線僅通過一個組合器/透鏡，光損限于“一次通過”，并且遠低于Birdbath設計。

　　形狀尺寸：為了擴大數字圖像，并且令其大到可以疊加在真實世界之中，LCD源與透鏡的距離需要足夠遠。

　　圖像質量：像素密度可能是該設計的一個問題，特別是如果你將智能手機用作光源。雙LCD顯示器是幫助提高像素密度的一種方法。Leap Motion頭顯采用了兩個1600×1440的LCD顯示器。

　　透鏡透明度：我們可以通過較亮的LCD和較少的基板來減輕光損問題，這種顯示器可提供更清晰的透鏡(更高的R/T值)。如上圖所示，Mira透鏡的透明度足以讓你看到用戶的眼睛。

　　3. 反射/衍射波導

　　工作原理：波導代表了光學技術的一種新形式，在形狀尺寸，清晰度和重影方面提供了顯著的優勢，但技術仍然處于開發階段。顯示源通常使用LCOS(硅基液晶)或DLP顯示器。LCOS和DLP都通過衍射光柵發射準直光線。該衍射光柵可以重新導向光線，并最終形成擴大的圖像，然后再將其投射到眼內。

　　雖然波導顯示器和高分辨率AR體驗令人興奮，但它們的制造成本非常高昂，而且存在明顯的廢品率。預計波導價格將隨著制造工藝的發展而降低，但它們目前仍是高端頭顯的成本大頭。波導頭顯的零售價在3000美元至5000美元之間。

　　采用波導的頭顯主要包括：微軟HoloLens，Maigc Leap One，DAQRI。

　　硬件組件：衍射波導光學元件包括多層結構，每種顏色都有一層。由于在納米級別難以對齊衍射RGB層，所以在制造中存在非常的廢品率。Lumus專有的反射波導避免了多層生產工藝，令生產過程變得更加輕松。LCOS通常用作顯示源，因為它非常緊湊并且提供準直光(波導技術的一項要求)。

　　視場：與其他顯示器相比，這種光學設計的視場非常小。在今天，40度視場是標準，而廠商正努力在不損害質量的情況下實現50度視場。

　　圖像質量：波導顯示器的亮度在所有光學設計中排名第一，而且沒有重影現象。今天大部分的顯示器都是720P，但這種情況將很快發生改變。在CES 2018大會上，Lumus的顯示器已經支持1080P和40度視場。

　　形狀尺寸：這項技術正越來越接近于眼鏡形態，但AR頭顯需要搭載其他元件：顯示源，攝像頭和IMU，所以我們在近期內無法實現太陽眼鏡般的外形尺寸。

　　透鏡透明度：不需要著色。如DAQRI頭顯所示，透鏡非常清晰，可供室內使用。

　　像所有硬件產品一樣，上述頭顯的設計都是經過了一系列的權衡。廠商需要仔細平衡每個電子元件的優點與缺點，位置，重量，尺寸，價格等方面，而每個選項都對設計產生巨大的影響。綜合考慮材料的易用性和成本，我們認為LCD曲面鏡/蟲眼設計是當前最容易理解的選擇。但這種設計選擇并不是AR頭顯的長期發展方向。隨著生產線的逐漸增加與生產工藝的發展，它們將很快由微型顯示器和/或波導管取代。作為消費者，這個未來令人感到興奮。